Il telescopio spaziale Nancy Grace Roman sarà il primo telescopio spaziale a utilizzare un “coronografo attivo” per bloccare la luce stellare indesiderata.
Quando il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA verrà lanciato, già alla fine del prossimo mese, tenterà uno dei trucchi di sparizione più precisi mai realizzati nell’astronomia. Il telescopio trasporterà il primo coronografo “attivo” destinato allo spazio, uno strumento che elimina efficacemente la maggior parte della luce proveniente da una stella durante la fotografia.
Ciò consentirà agli astronomi di scattare le prime immagini di pianeti in orbita attorno ad altre stelle simili a quelle del nostro sistema solare. In definitiva, potrebbe aprire la strada a una futura missione in grado di immortalare le prime foto di mondi simili alla Terra.
«Spero che venga ricordato come quel passo fondamentale per… trovare la Terra 2.0», afferma Brandon Creager, ingegnere meccanico capo responsabile dello strumento presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA.
Intitolato a Nancy Grace Roman, la prima responsabile dell’astronomia della NASA, questo nuovo telescopio sarà dotato di una fotocamera a campo largo da circa 300 megapixel che gli consentirà di catturare immagini circa 100 volte più grandi delle esposizioni più ampie del telescopio spaziale Hubble a una risoluzione simile.
Queste capacità aiuteranno gli astronomi a svelare le misteriose identità della materia oscura e dell’energia oscura, nonché a individuare circa 100.000 nuovi esopianeti, ovvero pianeti al di fuori del nostro sistema solare, la cui presenza può essere dedotta dal modo in cui distorcono la luce delle stelle più lontane. Javier Viaña, ricercatore di Harvard che ha visto due dei suoi progetti selezionati per il primissimo anno di osservazioni di Roman — un periodo altamente competitivo —, paragona questo balzo in avanti al passaggio dal «intervistare una manciata di persone» al «condurre un censimento globale».
Un’altra telecamera utilizzerà il coronografo, oscurando la luce di una stella mentre osserva un sistema stellare alla volta. Lo strumento consentirà agli astronomi di osservare come mai prima d’ora lo spazio attorno alle stelle, permettendo loro di individuare esopianeti più piccoli, più deboli e più vicini. «Ci sta dando la possibilità di vedere pianeti che prima non eravamo in grado di vedere fisicamente», afferma Creager.
L’anatomia di un trucco di sparizione
I coronografi nello spazio non sono una novità. Ma le versioni precedenti, come quelle attualmente a bordo del telescopio Hubble e del telescopio spaziale James Webb, utilizzano un sistema fisso per bloccare la luce accecante di una stella. L’approccio è utile, ma è un po’ come coprire con il pollice una torcia mentre si cerca una lucciola in una stanza buia. Sebbene la luce della torcia scompaia, qualche riflesso residuo può comunque sfuggire e sovrastare la luce della lucciola. All’interno di un telescopio, quel riflesso può provenire dalla luce che fuoriesce dai bordi delle apparecchiature o da minuscole imperfezioni negli specchi e nei rivestimenti, in grado di diffondere la luce stellare in puntini. Tutto ciò può nascondere, o addirittura simulare, la presenza di un pianeta.
Il coronografo di Roman, tuttavia, tenterà qualcosa di completamente inedito nei telescopi spaziali fino a quest’anno: prima di ogni osservazione, misurerà quella luce residua e cercherà di sopprimerla, una tecnica nota come controllo attivo del fronte d’onda.
Il telescopio è in grado di farlo perché contiene due specchi deformabili. Ciascuno presenta una griglia 48×48 di attuatori (minuscoli pistoni) sotto una sottile lastra di vetro deformabile. L’applicazione di una piccola tensione fa contrarre gli attuatori, che tirano leggermente all’indietro le rispettive sezioni di specchio, come migliaia di dita microscopiche che scolpiscono delicatamente una superficie.
L’effetto è molto sottile: ogni porzione di specchio può deformarsi fino a 0,5 micrometri, ovvero circa un quarto delle dimensioni di un batterio E. coli, e con incrementi minimi di circa 10 picometri. Si tratta di circa un decimo del diametro di un atomo di idrogeno, spiega Ilya Poberezhskiy, ingegnere di sistema del progetto presso il JPL.
Gli attuatori consentono agli specchi di creare un «fronte d’onda attivo», in cui ogni componente viene spostato nella posizione perfetta per annullare le onde di luce indesiderata in arrivo — un po’ come un paio di cuffie con cancellazione del rumore, ma per la luce anziché per il suono. La luce «annullata» crea una «regione a forma di ciambella attorno alla stella, dove sopprimiamo la luce stellare e dove speriamo di vedere gli esopianeti», spiega Poberezhskiy.
Rispetto agli attuali coronografi spaziali, il sistema dovrebbe migliorare la sensibilità verso gli esopianeti, contrastando il bagliore delle loro stelle ospiti, fino a un fattore di 1.000, rivelando pianeti che prima sarebbero stati troppo deboli per essere rilevati.
Come Hubble e il JWST, anche Roman utilizza delle maschere, ovvero lastre con motivi specifici posizionate sul percorso della luce e progettate per bloccare i fotoni che vi si scontrano. Uno degli strumenti nell’arsenale di maschere di Roman è la «erba di silicio», una fitta distesa di micro-punte presenti su alcune maschere che, in determinate configurazioni, possono essere utilizzate per assorbire i fotoni in modo che non rimbalzino all’interno del telescopio e raggiungano accidentalmente un rivelatore.
La luce che entra in questa “foresta” rimbalza sempre più in profondità tra le punte e rimane intrappolata invece di riflettersi verso la telecamera. «Una volta che la luce entra lì dentro, non ne esce più», afferma Poberezhskiy. Gli specchi e le maschere formano una successione di cancelli e siepi per guidare quanta più luce planetaria possibile verso il rivelatore finale.
Giove alieni
Questa complessa configurazione potrebbe aprire un nuovo capitolo nell’imaging diretto degli esopianeti. Quasi tutti gli esopianeti fotografati finora sono giovani giganti che non hanno nulla a che vedere con gli abitanti del nostro sistema solare: hanno una massa pari a diverse volte quella di Giove, brillano ancora del calore residuo della loro nascita e orbitano a distanze dalla loro stella decine o centinaia di volte superiori a quella che separa la Terra dal Sole. Questo perché sono relativamente facili da osservare. Le loro dimensioni, il calore e la distanza dalla stella madre li fanno brillare intensamente nella luce infrarossa, ben lontani dal bagliore più accecante della stella.
Roman, tuttavia, potrebbe riprendere direttamente un vero analogo di Giove: un pianeta simile a Giove per massa che orbita attorno a una stella simile al Sole a una distanza alcune volte superiore a quella che separa la Terra dal nostro Sole. A differenza dei «Giove caldi» che possiamo osservare oggi, questo sarebbe un gigante gassoso molto più maturo, simile al nostro, che riflette principalmente la luce della propria stella dopo miliardi di anni di raffreddamento, anziché emetterne in grande quantità di propria iniziativa.
Gli astronomi sono riusciti a dedurre l’esistenza di tali pianeti dall’oscillazione gravitazionale che essi imprimono alla stella. Roman, invece, raccoglierà la luce stellare riflessa dal pianeta stesso. « , non stiamo osservando la stella. Non stiamo osservando l’effetto del pianeta sulla stella», afferma Meredith MacGregor, docente di astronomia alla Johns Hopkins che si è anche assicurata un programma di osservazione. «Stiamo effettivamente osservando il pianeta, e questo è straordinariamente potente».
Una volta che questo strumento sarà disponibile, toccherà agli scienziati fare il proprio lavoro. «Onestamente sono un po’ terrorizzata all’idea di come faremo a gestirlo, perché penso che si tratti davvero di una quantità enorme di dati», dice MacGregor. «Credo che le persone continueranno legittimamente a lavorare sui dati di Roman per decenni».
Ma non aspettatevi di vedere una foto in 4K di un Giove alieno nei prossimi mesi. Roman non sarà in grado di risolvere un pianeta del genere in un globo ben definito: nella migliore delle ipotesi, probabilmente apparirà come una manciata di pixel. Tuttavia, sarà sufficiente, afferma MacGregor, poiché Roman potrà poi utilizzare il coronografo per ottenere informazioni sulle varie lunghezze d’onda della luce proveniente dal pianeta, che possono rivelare agli astronomi la composizione chimica della sua atmosfera.
«Si prende qualcosa che è un punto luminoso e lo si trasforma in un mondo vero e proprio», afferma, «perché se si conoscono questi aspetti della sua atmosfera, allora si sa qualcosa sulla superficie del pianeta e sulla possibilità che vi sia vita su quel pianeta, giusto? Quindi questo è un grande passo avanti».
Durante le prime osservazioni, scienziati e ingegneri verificheranno se riescono a mantenere una stella proprio al centro delle maschere del coronografo, a modellare gli specchi, a “scavare” la ciambella scura (come la descrive Poberezhskiy) e poi a mantenere tutto in ordine mentre la sonda si muove nello spazio e la temperatura cambia continuamente.
I risultati forniranno informazioni utili per l’Habitable Worlds Observatory proposto dalla NASA, il sogno di molti astronomi specializzati in esopianeti, che in teoria sarà in grado di separare la luce di un pianeta simile alla Terra da quella di una stella simile al Sole, oltre 10 miliardi di volte più luminosa.
Creager, che lavora allo strumento dal 2018, è orgoglioso di questo risultato: «Non sono in molti a poter dire: “Ho costruito qualcosa che sta fotografando un pianeta che orbita attorno a una stella distante 50 o 100 anni luce”». Immagina il momento in cui lui e il suo team potranno osservare la prima immagine non appena arriverà: «Sì, ce l’abbiamo fatta». Anche se il pianeta potrebbe apparire solo come un minuscolo puntino, il vero risultato di Roman sarà l’oscurità creata attorno ad esso.
