Il telescopio spaziale James Webb ha scoperto l’universo

Gli scienziati sono sbalorditi dalla quantità di dati che è arrivata dal nuovo osservatorio spaziale.

Il telescopio spaziale James Webb è una delle 10 tecnologie emergenti del MIT Technology Review del 2023. Scopri il resto dell’elenco qui.

Natalie Batalha non vedeva l’ora di ricevere i dati del telescopio spaziale James Webb. Erano passati pochi mesi da quando il telescopio aveva raggiunto la sua orbita finale e al suo gruppo della University of California, Santa Cruz, era stato concesso il tempo di osservare una manciata di esopianeti, pianeti che orbitano attorno a stelle diverse dal nostro sole.

Tra gli obiettivi c’era WASP-39b, un pianeta rovente che orbita intorno a una stella a circa 700 anni luce dalla Terra. Il pianeta è stato scoperto anni fa. Ma a metà luglio, quando Batalha e il suo team hanno esaminato le prime osservazioni fatte dal James Webb Space Telescope di quel mondo lontano, hanno riconosciuto una chiara traccia di un gas che è comune sulla Terra ma che non era mai stato individuato prima nell’atmosfera di un esopianeta: l’anidride carbonica. Sulla Terra, l’anidride carbonica è un indicatore chiave della vita vegetale e animale. WASP-39b, che impiega solo quattro giorni terrestri per orbitare intorno alla sua stella, è troppo caldo per essere considerato abitabile. Ma la scoperta potrebbe preannunciare altri interessanti rilevamenti di pianeti più temperati in futuro. Ed è arrivata a pochi giorni dall’inizio della vita del JWST. “È stato un momento molto emozionante”, dice Batalha, il cui gruppo si è riunito per osservare i dati per la prima volta. “Nel momento in cui abbiamo guardato, la caratteristica dell’anidride carbonica è stata magnificamente delineata”.

Non è stato un caso. Il JWST, una collaborazione guidata dalla NASA tra Stati Uniti, Canada ed Europa, è il telescopio spaziale più potente della storia e può osservare oggetti 100 volte più deboli di quelli che può vedere il telescopio spaziale Hubble. Quasi subito dopo l’entrata in funzione a pieno regime, nel luglio del 2022, sono stati raccolti incredibili panorami da tutto l’universo, da immagini di galassie remote all’alba dei tempi a incredibili paesaggi di nebulose, i luoghi, pieni di polvere, dove nascono le stelle. “È potente come speravamo, se non di più”, afferma Gabriel Brammer, astronomo dell’Università di Copenhagen in Danimarca.

Ma la velocità con cui il JWST ha fatto scoperte è dovuta a qualcosa di più delle sue capacità intrinseche. Gli astronomi si sono preparati per anni alle osservazioni che avrebbe effettuato, sviluppando algoritmi in grado di trasformare rapidamente i suoi dati in informazioni utilizzabili. Gran parte dei dati sono di libero accesso, consentendo alla comunità astronomica di consultarli quasi alla stessa velocità con cui arrivano. I suoi operatori hanno anche fatto tesoro delle lezioni apprese dal predecessore Hubble, copletando il più possibile il suo programma di osservazioni.

Per alcuni, la mole di dati straordinari è stata una sorpresa. “È stato più di quanto ci aspettassimo”, afferma Heidi Hammel, scienziato interdisciplinare della NASA per il JWST e vice president for science alla Association of Universities for Research in Astronomy di Washington. “Una volta entrati in modalità operativa, il lavoro non si è fermato. Ogni ora guardavamo una galassia, un esopianeta o una formazione stellare. Era come un fiume in piena”.

Ora, a distanza di mesi, il JWST continua a inviare dati agli astronomi sulla Terra e si prevede che trasformerà la nostra comprensione dell’universo profondo, degli esopianeti, della formazione dei pianeti, della struttura delle galassie e di molto altro ancora. Non tutti hanno apprezzato questa raffica di attività, che a volte ha trasmesso una certa enfasi sulla velocità rispetto al processo scientifico, ma non c’è dubbio che il JWST stia incantando il pubblico di tutto il mondo a un ritmo incredibile. Le porte si sono aperte e non si chiuderanno tanto presto.

Accesso aperto

Il JWST orbita intorno al sole in un punto stabile a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra. Il suo gigantesco specchio primario rivestito d’oro, alto come una giraffa, è protetto dal bagliore del sole da un parasole delle dimensioni di un campo da tennis, consentendo una visione senza precedenti dell’universo nella luce infrarossa.

Il telescopio è stato realizzato da tempo. Concepito per la prima volta negli anni ’80, il suo lancio era previsto per il 2007, al costo di 1 miliardo di dollari. Ma la sua complessità ha causato ampi ritardi, divorando risorse finché a un certo punto è stato soprannominato “il telescopio che si è mangiato l’astronomia”. Quando JWST fu finalmente lanciato, nel dicembre 2021, il suo costo stimato era salito a quasi 10 miliardi di dollari.

Anche dopo il lancio ci sono stati momenti di ansia. Il viaggio del telescopio verso la sua posizione di destinazione, oltre l’orbita lunare, è durato un mese e sono state necessarie centinaia di parti mobili per dispiegare i vari componenti, compreso l’enorme parasole, necessario per mantenere freschi gli strumenti sensibili agli infrarossi.

L’obiettivo è quello di tenere il telescopio il più possibile occupato: “La cosa peggiore che potremmo fare è avere un telescopio inattivo”.

Ma ormai i ritardi, gli sforamenti di budget e la maggior parte delle tensioni sono stati superati. Il JWST è al lavoro, le sue attività sono accuratamente curate dallo Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora. Ogni settimana, un team pianifica le prossime osservazioni del telescopio, attingendo da un calendario a lungo termine di centinaia di programmi approvati da eseguire nel suo primo anno di attività scientifica, da luglio 2022 a giugno 2023.

L’obiettivo è quello di tenere il telescopio il più possibile occupato. “La cosa peggiore che potremmo fare è avere un telescopio inattivo”, dice Dave Adler dell’STScI, responsabile della pianificazione a lungo termine del JWST. “Non è una cosa economica”. Negli anni ’90, Hubble si ritrovava occasionalmente a girare i pollici nello spazio se i programmi venivano modificati o cancellati; il programma di JWST è deliberatamente sovrabbondante per evitare problemi del genere. I propulsori di bordo e le ruote di reazione, che ruotano per cambiare l’orientamento, spostano il telescopio con precisione tra vari obiettivi nel cielo. “L’obiettivo è sempre quello di ridurre al minimo il tempo in cui non facciamo scienza”, afferma Adler.

Il risultato di questo fitto programma è che ogni giorno JWST può raccogliere più di 50 gigabyte di dati, rispetto a uno o due gigabyte di Hubble. I dati, che contengono immagini e firme spettrali (essenzialmente la luce scomposta nei suoi elementi), vengono inseriti in un algoritmo gestito dall’STScI. Conosciuto come “pipeline”, trasforma le immagini grezze e i numeri del telescopio in informazioni utili. Alcune di queste informazioni vengono rilasciate immediatamente su server pubblici, dove vengono raccolte da scienziati desiderosi o persino da bot di Twitter come il JWST Photo Bot. Altri dati vengono consegnati agli scienziati attraverso programmi con accesso esclusivo che consentono loro di analizzare i propri dati prima di renderli pubblici.

Le pipeline sono essenzialmente pezzi di codice, realizzati con linguaggi di programmazione come Python. Sono utilizzate da tempo in astronomia, ma ci sono stati notevoli progressi nel campo dal 2004, dopo che gli astronomi hanno utilizzato Hubble per trascorrere 1 milione di secondi a osservare una porzione di cielo vuota. L’obiettivo era quello di cercare galassie remote nell’universo lontano, ma sarebbero state effettuate 800 esposizioni; quindi, i progettisti di Hubble sapevano che sarebbe stato un compito troppo difficile da svolgere a mano.

Hanno invece sviluppato una pipeline per trasformare le esposizioni in immagini utilizzabili, una sfida tecnica impegnativa dato che ogni immagine richiedeva la propria calibrazione e il proprio allineamento. “Non era possibile allora che la comunità combinasse 800 esposizioni da sola”, dice Anton Koekemoer, astronomo ricercatore presso lo STScI. “L’obiettivo era quello di consentire di fare ricerche scientifiche molto più rapidamente”. L’incredibile immagine risultante da questi sforzi ha rivelato 10.000 galassie che si estendono in tutto l’universo, in quello che è diventato noto come Hubble Ultra Deep Field.

Con il JWST, un’unica pipeline principale sviluppata dall’STScI prende le immagini e i dati da tutti i suoi strumenti e li rende pronti per la scienza. Molti astronomi, sia dilettanti sia professionisti, utilizzano poi le proprie pipeline sviluppate nei mesi e negli anni precedenti il lancio per analizzare ulteriormente i dati. Per questo motivo, quando i dati del JWST hanno iniziato a essere trasmessi alla Terra, gli astronomi sono stati in grado di capire quasi immediatamente cosa stavano vedendo, trasformando quello che normalmente sarebbe stato un tempo di analisi di mesi in poche ore di elaborazione.

“Eravamo seduti lì pronti”, racconta Brammer. “All’improvviso, l’accesso era aperto. Eravamo pronti a partire”.

Galassie ovunque

In orbita a poche centinaia di chilometri dalla superficie terrestre, il telescopio spaziale Hubble è abbastanza vicino da poter essere visitato dagli astronauti. E nel corso degli anni lo hanno fatto, intraprendendo una serie di missioni per riparare e aggiornare il telescopio, a partire da un viaggio per aggiustare il suo famigerato specchio deformato, un problema scoperto poco dopo il lancio nel 1990. Il JWST, che si trova più lontano della luna, è da solo.  

Lee Feinberg, responsabile dell’elemento ottico del telescopio JWST presso il Goddard Space Flight Center della NASA, era tra coloro che aspettavano di vedere se il telescopio avrebbe effettivamente funzionato. “Abbiamo trascorso 20 anni a simulare l’allineamento del telescopio”, dice, cioè ad assicurarci che potesse puntare con precisione gli obiettivi nel cielo. A marzo, l’attesa era finita. JWST aveva raggiunto il suo obiettivo oltre la Luna e Feinberg e i suoi colleghi erano finalmente pronti per iniziare a scattare le immagini di prova. Una mattina, mentre entrava all’STScI, una di queste immagini, un’immagine di prova di una stella, fu proiettata sullo schermo. Conteneva una sorpresa incredibile. “C’erano letteralmente centinaia di galassie”, dice Feinberg. “Siamo rimasti a bocca aperta”. L’immagine era così dettagliata che rivelava galassie che si estendevano nell’universo lontano, anche se non era stata scattata per questo scopo. “Tutti erano increduli di come stesse funzionando bene”, dice Fexinberg.

Dopo un ulteriore processo di test e calibrazione degli strumenti per rendere il telescopio operativo, uno dei primi compiti del JWST è stato quello di osservare WASP-39b con il suo Near Infrared Spectrograph. Lo strumento ha permesso agli scienziati di distinguere la luce dell’atmosfera del pianeta. Invece di analizzare manualmente le osservazioni, il team ha utilizzato una pipeline chiamata Eureka!, sviluppata da Taylor Bell, astronomo del Bay Area Environmental Research Institute presso l’Ames Research Center della NASA in California. “L’obiettivo era quello di passare dai dati grezzi alle informazioni sullo spettro atmosferico”, spiega Bell. Analizzare le informazioni provenienti da un esopianeta come questo richiederebbe di solito mesi di lavoro. Ma a poche ore dalle osservazioni è saltata fuori la firma dell’anidride carbonica. Da allora sono stati resi noti molti altri dettagli sul pianeta, tra cui un’analisi approfondita della sua composizione e la presenza di nubi a chiazze.

Altri hanno utilizzato pipeline per obiettivi molto più distanti. A luglio, studiando le prime immagini del JWST, un team guidato da Rohan Naidu del MIT ha scoperto GLASS-z13, una galassia remota la cui luce potrebbe risalire a soli 300 milioni di anni dopo il Big Bang, prima di qualsiasi galassia conosciuta in precedenza. La scoperta ha suscitato un grande clamore a livello mondiale perché ha suggerito che le galassie potrebbero essersi formate prima di quanto previsto in precedenza, forse di qualche centinaio di milioni di anni, il che significa che il nostro universo ha preso forma più velocemente di quanto si credesse.

La scoperta di Naidu è stata resa possibile da EAZY, una pipeline sviluppata da Brammer per analizzare in modo piuttosto grossolano la luce delle galassie nelle immagini del JWST. “Stima la distanza degli oggetti utilizzando questa modalità di imaging”, spiega Brammer, che ha pubblicato lo strumento sul sito web GitHub per consentirne l’utilizzo a chiunque.

Ora di punta

Tradizionalmente, nel campo della scienza, i ricercatori presentano un articolo scientifico a una rivista, dove viene esaminato da colleghi del settore e infine approvato per la pubblicazione o respinto. Questo processo può durare mesi o addirittura anni, ritardando talvolta la pubblicazione, ma sempre nel rispetto dell’accuratezza e del rigore scientifico.

Esistono tuttavia dei modi per aggirare questo processo. Un metodo popolare è quello di pubblicare le prime versioni dei documenti scientifici sul sito web arXiv prima della revisione paritaria. Ciò significa che la ricerca può essere letta o pubblicizzata prima di essere pubblicata su una rivista. In alcuni casi, la ricerca non viene mai presentata a una rivista, ma rimane esclusivamente su arXiv e viene discussa apertamente dagli scienziati su Twitter e altri forum.

La pubblicazione su arXiv è popolare quando c’è una nuova scoperta che gli scienziati desiderano fare conoscere rapidamente, a volte prima che escano documenti concorrenti. Nel caso di JWST, circa un quinto dei suoi programmi del primo anno è ad accesso aperto, il che significa che i dati vengono immediatamente resi pubblici quando vengono trasmessi alla Terra. Questo genera immediatamente una competizione tra il gruppo di ricerca che ha proposto il programma con altri che guardano il flusso di dati. Quando a luglio il telescopio si è acceso, molti ricercatori si sono rivolti ad arXiv per pubblicare i primi risultati, nel bene e nel male.

“Quando si ha a che fare con qualcosa di così nuovo e sconosciuto, le cose dovrebbero essere controllate 10 o 100 volte. Non è andata così”.

Emiliano Merlin

“C’era fretta di pubblicare qualsiasi cosa il prima possibile”, dice Emiliano Merlin, astronomo dell’Osservatorio Astronomico di Roma, coinvolto nei primi sforzi di analisi del JWST, come la corsa alla ricerca di galassie nell’universo profondo dopo il Big Bang. La scoperta di GLASS-z13 e di un’altra decina di interessanti candidati è stata pubblicata prima che le osservazioni successive potessero confermare l’età della loro luce. “Personalmente non è stata una cosa che mi è piaciuta molto”, dice Merlin. “Quando si ha a che fare con qualcosa di così nuovo e sconosciuto, i dati [FP1] dovrebbero essere verificati 10 o 100 volte. Non è andata così”.

Una preoccupazione era che i primi problemi di calibrazione del telescopio potessero causare errori. Ma finora molti dei primi risultati hanno retto all’esame. Le osservazioni successive hanno confermato che GLASS-z13 è una galassia precoce da record, anche se la sua età è stata leggermente ridotta, portando a rinominare la galassia in GLASS-z12. La possibile scoperta di altre galassie che si sono formate ancora prima di GLASS-z12 suggerisce che la nostra comprensione di come la struttura sia emersa nell’universo potrebbe dover essere ripensata, forse anche accennando a modelli più radicali per l’universo primordiale.  

Mentre molti dei programmi del JWST rilasciano pubblicamente i dati immediatamente, con una conseguente corsa frenetica a pubblicare i risultati in anticipo, circa l’80% di essi prevede un periodo di esclusività, che consente ai ricercatori che li gestiscono l’accesso esclusivo ai loro dati per 12 mesi. Ciò consente agli scienziati, soprattutto ai gruppi più piccoli che non dispongono delle risorse delle grandi istituzioni, di esaminare più attentamente i propri dati prima di renderli pubblici.

“Il periodo di esclusività uniforma le differenze di risorse”, afferma Mark McCaughrean, consulente senior per la scienza e l’esplorazione all’ uropean Space Agency e scienziato del JWST. “Se si tolgono i periodi di esclusività, si torna a impilare le risorse in direzione dei grandi team”.

Molti scienziati, tuttavia, non utilizzano l’intera dotazione di 12 mesi, il che significa che si aggiungeranno al flusso costante di scoperte di JWST. Oltre alle osservazioni ad accesso libero, saranno sempre più numerosi i risultati proprietari resi pubblici. “Ora che il flusso è aperto, vedremo continuamente documenti per i prossimi 10 anni e oltre”, dice Hammel. Forse anche oltre: secondo Feinberg, il telescopio potrebbe avere più di 20 anni di carburante, consentendo di continuare le operazioni fino al 2040.

“Stiamo aprendo una finestra completamente nuova sull’universo”, dice Hammel. “È un momento davvero emozionante di cui far parte, per noi come specie”.