Come lo strumento NIRSpec di Webb ha aperto 200 finestre sulle nostre origini

Scienza ed esplorazione

18/11/2022
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L’astronomia è guidata da grandi domande, e nessuna più grande del chiedersi come hanno iniziato a formarsi le prime stelle e galassie, dando infine origine alla nostra stessa esistenza.

Le risposte sono sepolte nel lontano Universo, così lontano che la luce ha viaggiato per miliardi di anni per raggiungerci, trasportando le immagini delle prime galassie in formazione. Questa prima fase, appena 200 milioni di anni dopo il Big Bang, è al di là della portata impressionante dei precedenti telescopi. Grazie al James Webb Space Telescope della NASA/ESA/CSA ora può essere visto.

Ma anche il più grande telescopio spaziale è buono solo quanto gli strumenti ad esso collegati, ed è qui che entra in gioco lo strumento NIRSpec, uno dei contributi dell’Europa alla missione Webb.

“All’inizio di qualsiasi progetto di strumento c’è l’ambizione degli scienziati. Esplorare la formazione delle prime stelle e galassie ha davvero plasmato NIRSpec”, ha affermato Pierre Ferruit, ex scienziato del progetto Webb per l’ESA.

NIRSpec è lo spettrografo nel vicino infrarosso di Webb. Il suo compito è dividere la luce infrarossa raccolta da Webb nelle sue lunghezze d’onda costituenti per formare uno spettro. Misurando il modo in cui la luce varia a diverse lunghezze d’onda per un oggetto nello spazio, gli astronomi possono estrarre una grande quantità di informazioni sulle sue proprietà fisiche e composizione chimica. Prima di Webb e NIRSpec, era impossibile farlo per queste galassie più distanti.

Il cavallo di battaglia di Webb: NIRSpec

“Ora che possiamo farlo, si apre una grande strada per noi. Ora possiamo studiare galassie lontane nello stesso modo in cui studiamo oggetti più vicini”, ha detto l’astronomo dell’ESA Giovanna Giardino.

I dati consentiranno agli astronomi di tracciare come le galassie si sono evolute dalle prime fasi del cosmo agli oggetti che vediamo intorno a noi oggi.

NIRSpec è stato sviluppato sotto la guida dell’ESA con Airbus Defence and Space Germany come appaltatore principale. Airbus ha riunito un team di settanta persone nei suoi siti di Ottobrunn e Friedrichshafen, in Germania, e Tolosa, in Francia. Inoltre, sono stati supportati dalla NASA e da 17 subappaltatori europei.

Fin dall’inizio, il team ha deciso che il modo migliore per raggiungere il successo era non complicare nulla. “Quando guardi il design NIRSpec, è piuttosto semplice”, ha affermato Ralf Ehrenwinkler, responsabile del programma NIRSpec di Airbus.

Spettrografo multioggetto Webb NIRSpec

Mantenere le cose semplici nel modo in cui la luce viene indirizzata attraverso lo strumento ha permesso al team di concentrarsi sugli aspetti rivoluzionari dello strumento. Il principale tra questi è la necessità di registrare in modo efficiente gli spettri di più oggetti contemporaneamente, qualcosa che non è mai stato fatto nello spazio.

Questa capacità unica è stata direttamente resa necessaria dal desiderio di studiare l’Universo lontano, dove le galassie sono molto deboli. Avremmo bisogno di osservarne migliaia per costruire un quadro completo delle nostre prime origini.

I nostri primi scorci in questo regno sono arrivati ​​nel 1995 con lo storico Hubble Deep Field. Approfittando della sua visione senza ostacoli del cosmo, Hubble ha scrutato la stessa parte del cielo per dieci giorni consecutivi, a partire dal 18 dicembre. La macchia selezionata è poco più di un granello, circa un 24 milionesimo dell’intero cielo. Ma Hubble ha rivelato circa 3000 oggetti sconosciuti, la maggior parte dei quali giovani galassie a miliardi di anni luce di distanza.

Grazie al grande specchio da 6,5 ​​metri di Webb, è ora possibile acquisire immagini simili in campo profondo in ore anziché in giorni e NIRSpec può registrarne gli spettri. Ma ci sono così tante galassie da registrare che sarebbe del tutto impraticabile se NIRSpec potesse prendere solo uno spettro alla volta. Quindi il team ha dovuto trovare un modo per farlo per molte cose contemporaneamente.

Hanno avuto molto successo.

Lo spettro di Webb mostra la composizione della galassia

“Siamo in grado di raccogliere spettri per un massimo di 200 oggetti alla volta, questo è un punto di svolta”, ha affermato Maurice Te Plate, NIRSpec Systems Engineer per l’ESA.

Per realizzare questa straordinaria impresa di multi-tasking, NIRSpec utilizza un dispositivo rivoluzionario chiamato array di micro-otturatori. Prodotto e fornito dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, USA, è costituito da circa un quarto di milione di piccole persiane autonome. Ognuno misura solo 80 x 180 micrometri. Possono essere controllati individualmente per aprirsi o chiudersi secondo necessità.

Questo risolve uno dei maggiori problemi nell’ottenere spettri dall’Universo lontano: gli spettri di oggetti più vicini, stelle e galassie meno distanti per esempio, bloccano galassie lontane se non sono mascherati.

“Lasciamo aperti solo quelli sopra gli oggetti interessanti e gli altri sono tutti chiusi. Per questo motivo, solo la luce proveniente dai target selezionati entra nell’ottica dello spettrografo per essere analizzata”, ha affermato Maurice.

Exoplanet WASP-39 b – Spettro di trasmissione NIRSpec

Oltre all’Universo distante, NIRSpec è progettato per osservare gli oggetti celesti più vicini a casa: gli esopianeti. Le atmosfere di questi mondi assorbono parte della luce infrarossa della loro stella madre che li attraversa. Raccogliendo la luce delle stelle e dividendola in uno spettro, NIRSpec consente agli astronomi di cercare minuscole quantità di luce che scompaiono a specifiche lunghezze d’onda. Possono determinare quali sostanze chimiche sono presenti nell’atmosfera del pianeta e ottenere altre informazioni sulle condizioni fisiche.

“Ora possiamo vedere le firme di molte molecole importanti nell’atmosfera di esopianeti che non era possibile rilevare da terra, o con lo strumento spaziale che esisteva prima della NIRSpec”, ha detto Giovanna.

Nebulosa Tarantola – IFU NIRSpec

NIRSpec offre agli astronomi ancora più capacità. Sorprendentemente, può dividere oggetti più grandi come galassie e nebulose in 30 fette e osservare uno spettro per ogni fetta, tutto in un colpo solo. Le risultanti mappe delle condizioni fisiche e chimiche sono fondamentali per comprendere la nascita e la morte delle stelle e il funzionamento delle galassie.

Animazione del principio delle unità di campo integrale Webb NIRSpec

Per funzionare nel vicino infrarosso, NIRSpec, e la maggior parte del resto di Webb, devono operare a 40 Kelvin (–233°C), mantenuti freschi dall’iconico schermo solare di Webb. Questo rappresenta una grande sfida quando si costruiscono strumenti scientifici precisi. Materiali diversi si restringono a velocità diverse quando vengono raffreddati, e questo produce una leggera distorsione nello strumento che ne influenza la precisione.

“Questa è la cosa più difficile ed è per questo che Airbus ha deciso di realizzare questo strumento principalmente in carburo di silicio. La piastra di base, la maggior parte delle strutture e gli specchi sono realizzati in carburo di silicio”, ha affermato Ralf.

Il carburo di silicio è un materiale ceramico che, sebbene difficile da lavorare, è estremamente stabile alle basse temperature. Realizzando la maggior parte dello strumento da esso, è possibile eliminare le distorsioni termiche. Ma questo significa essere assolutamente certi del design prima che inizi la produzione.

NIRSpec è nato come un blocco di carburo di silicio nel cosiddetto stato verde, dove il materiale è morbido e malleabile. NIRSpec è modellato nello stesso modo in cui un artista trasforma la pietra in una scultura. Tutti i fori ei canali vengono praticati e quando tutto è pronto, viene posto in un forno per essere ‘sinterizzato’. Questo indurisce il materiale, rendendolo più difficile da lavorare. Quindi il team deve essere assolutamente certo del design prima di iniziare la produzione.

“Lavorare con il carburo di silicio è davvero una sfida e sono molto orgoglioso che siamo riusciti a svilupparlo”, afferma Maurice. In parte a causa del loro successo, lavorare con il materiale è diventato una specialità in Europa.

Le prime foto di Webb – momenti salienti

Il successo di NIRSpec è stato messo a fuoco per il team quando le prime immagini e dati hanno iniziato a tornare sulla Terra. “Non sono uno scienziato, sono un ingegnere. Quindi, sono molto felice di vedere che tutta la telemetria è verde e NIRSpec funziona. Ma condividerò che ero a Baltimora con circa altre 200 persone quando sono state rilasciate le prime foto. Abbiamo tutti le lacrime agli occhi”, ha detto Ralf.

E ora che i dati continuano a muoversi, molti altri la pensano allo stesso modo.

“Sono totalmente stupito dalla qualità degli spettri che stiamo ottenendo. Vedo che anche gli osservatori sono molto contenti dei dati. E per me, questo è ciò per cui abbiamo creato NIRSpec. Penso che l’intero team si senta Ora NIRSpec sta funzionando, ci si sente bene”, ha detto Pierre.

Una volta completata l’attenta analisi dei dati, avremo nuove risposte a quelle straordinarie domande che sono così importanti per comprendere la nostra stessa esistenza: come si sono formate le prime galassie e stelle nel nostro Universo, e se quanto spesso i pianeti in orbita attorno ad altre stelle offrono le condizioni che consentirebbero l’esistenza della vita così come la conosciamo.

Questo è ciò che ha fatto NIRSpec: aprire più finestre per esaminare le grandi domande.

Informazioni aggiuntive
Webb è il più grande e potente telescopio mai lanciato nello spazio. In base a un accordo di cooperazione internazionale, l’ESA ha fornito il servizio di lancio del telescopio, utilizzando il veicolo di lancio Ariane 5. In collaborazione con i partner, l’ESA è responsabile dello sviluppo e della qualificazione degli adattamenti di Ariane 5 per la missione Webb e dell’approvvigionamento del servizio di lancio di Arianespace. L’ESA ha anche fornito lo spettrografo NIRSpec e il 50% dello strumento nel medio infrarosso MIRI, progettato e costruito da un consorzio di istituti europei finanziati a livello nazionale (The MIRI European Consortium) in collaborazione con JPL e l’Università dell’Arizona. Webb è una collaborazione internazionale tra NASA, ESA e Canadian Space Agency (CSA).

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