Uno sguardo profondo nell'universo
Nei prossimi giorni il telescopio spaziale James Webb inizierà la sua missione nello spazio. ? un giorno molto atteso per l'ETH Adrian Glauser. Egli ha partecipato alla realizzazione di questo ambizioso progetto con due contributi poco appariscenti ma importanti.
Quando il razzo Ariane decollerà dal Centro Spaziale della Guyana nei prossimi giorni, per Adrian Glauser si realizzerà un sogno a lungo inseguito: il James Webb Space Telescope (JWST), il successore del telescopio spaziale Hubble, sarà lanciato nello spazio per la sua missione decennale. Il fisico dell'ETH ha lavorato all'ETH per 18 anni e ha dovuto più volte fare i conti con il fatto che l'ambiziosa impresa dovesse essere rimandata. "Nel corso degli anni, ho imparato ad affrontare questi contrattempi con serenità", afferma. "Ma ora che il lancio è a portata di mano, sono già entusiasta".
Ben protetto dal sole
Il JWST è una delle missioni spaziali più costose di sempre. Con un budget di quasi 10 miliardi di dollari, si tratta del progetto scientifico più costoso nel campo dei viaggi spaziali senza equipaggio. A differenza del suo predecessore, il nuovo telescopio non sarà posizionato in orbita terrestre, ma a una distanza di 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, nel punto di Lagrange esterno L2. Si tratta di uno dei cinque punti in cui un oggetto artificiale può orbitare intorno al Sole alla stessa velocità della Terra senza cambiare la sua posizione relativa rispetto a quest'ultima.
Questa posizione speciale è particolarmente adatta per lo stazionamento di un telescopio spaziale, che può essere schermato dalle radiazioni solari molto più facilmente rispetto all'orbita terrestre. Questo aspetto è particolarmente importante per il JWST: i quattro dispositivi di misurazione a infrarossi funzionano solo se arrivano il meno possibile le radiazioni solari di disturbo e se le fluttuazioni di temperatura sono ridotte al minimo. Oltre a due spettrografi a infrarossi, il telescopio è dotato di una fotocamera per il vicino infrarosso, raffreddata passivamente a 50 Kelvin, e di uno strumento di misura per il medio infrarosso, noto come MIRI, raffreddato attivamente a soli 7 Kelvin.
Condizioni estreme
Glauser ha partecipato allo sviluppo di MIRI come dottorando nel precedente gruppo di astronomia dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) di Villigen. Oggi è il project manager responsabile della partecipazione della Svizzera alla missione. "In stretta collaborazione con i due partner industriali Ruag Aerospace e Syderal, abbiamo sviluppato una copertura di tenuta in alluminio e i cavi di collegamento elettrico per questo dispositivo di misura", spiega Glauser. A prima vista, non sembra molto spettacolare. Ma se si considera che i componenti devono funzionare in modo affidabile per anni a temperature estremamente basse nello spazio, diventa chiaro il motivo di tanto lavoro di sviluppo.
I cavi elettrici di collegamento in acciaio inossidabile, ad esempio, sono molto più sottili di un capello umano, in modo da trasportare il minor calore possibile allo strumento di misura. Sono isolati con una plastica speciale che non diventa fragile nemmeno a queste basse temperature. "Tutti i componenti sono progettati in modo da non emettere più molecole o atomi nello spazio. Questi si depositerebbero altrimenti sullo specchio dello strumento MIRI, che agisce come una trappola fredda a causa della bassa temperatura. Ciò comprometterebbe le misurazioni", spiega Glauser. Per questo motivo, prima di assemblare lo strumento è stato necessario pretrattare la plastica dei cavi di collegamento in modo che non emettesse più gas nello spazio.
Nessuna riparazione possibile
Questo requisito deve essere soddisfatto anche dal coperchio di tenuta, il secondo componente prodotto in Svizzera. Questo coperchio protegge lo strumento durante la fase di raffreddamento prima dell'inizio del funzionamento regolare. Viene utilizzato anche in seguito, quando lo strumento di misura viene calibrato. "Il meccanismo del coperchio deve funzionare in modo affidabile, altrimenti l'intero strumento diventa inutilizzabile", spiega Glauser. "La riparazione successiva è impossibile a causa della grande distanza dalla terra".
Durante lo sviluppo dei componenti ci sono state diverse sorprese. Ad esempio, quando è stato rimosso il coperchio, si è scoperto che 13 delle viti utilizzate avevano un rivestimento contenente cadmio. Tuttavia, l'ESA classifica il cadmio come elemento critico, poiché questo metallo pesante può facilmente dissolversi dai composti chimici nel vuoto. "Ho quindi sviluppato un metodo di misurazione speciale per dimostrare che queste viti non rilasciavano alcun metallo pesante", ricorda Glauser.
Messaggi dall'universo primordiale
Il JWST, alla cui ideazione ha contribuito in modo determinante Simon Lilly, professore di astrofisica sperimentale all'ETH di Zurigo, è stato progettato per quattro compiti che richiedono strumenti di misura altamente sensibili. Tra le altre cose, gli astrofisici vogliono usare il nuovo telescopio per guardare indietro agli inizi dell'universo e scoprire come si sono formate le prime strutture e le prime stelle dopo il Big Bang. Gli scienziati vogliono anche osservare più da vicino i pianeti che potrebbero ospitare la vita. "Non useremo il JWST per cercare nuovi pianeti, ma piuttosto per esaminare più dettagliatamente gli oggetti già noti", spiega Glauser. "Per farlo, misureremo direttamente la luce dei pianeti dal punto di vista spettrale".
Come ricercatore, Glauser beneficia ora del fatto che il consorzio MIRI avrà a disposizione un tempo di misurazione preferenziale. "? un grande vantaggio quando si è coinvolti nello sviluppo di strumenti di questo tipo: Possiamo affrontare i nostri progetti più velocemente di altri gruppi di ricerca".
Pensare alla prossima missione
Glauser si rammarica che il precedente gruppo del PSI non esista più. "Abbiamo molte competenze qui all'ETH di Zurigo. Ma se si vuole partecipare allo sviluppo di strumenti, occorrono strutture a lungo termine. E una prospettiva a lungo termine è essenziale per questi progetti". Tra l'altro, Glauser sta già lavorando alla preparazione di una missione in cui verranno studiati esopianeti con un clima temperato e che potrebbero contenere acqua liquida nella loro atmosfera o sulla loro superficie entro pochi decenni.
"Nella mia vita lavorativa non vivrò per vedere il lancio di questa missione", spiega il ricercatore. "Ma trovo affascinante pensare oggi a come si dovrà costruire in seguito un telescopio per poter indagare su domande di questo tipo" In progetti di questo tipo non ci sono solo scienziati che si limitano a usare gli strumenti di misura e ingegneri che li costruiscono. "C'è bisogno anche di sviluppatori di strumenti come me, che definiscono ciò che i dispositivi devono misurare da una prospettiva scientifica". E se si partecipa allo sviluppo, si ha un altro vantaggio come istituto di ricerca: "Si può contribuire a determinare quali domande di ricerca saranno al centro dell'attenzione in futuro".
In attesa delle prime immagini
Tuttavia, Glauser si sta concentrando sul breve termine. Poco dopo il lancio del razzo Ariane, inizierà la fase critica della missione James Webb: durante il viaggio di circa un mese verso la destinazione, il telescopio si dispiegherà gradualmente fino a raggiungere le sue dimensioni complete in una procedura complicata. Seguirà una fase di diversi mesi durante la quale gli strumenti di misura saranno raffreddati alla temperatura operativa e calibrati. Se tutte le parti funzioneranno come previsto, le prime misurazioni scientifiche potranno essere effettuate a partire dalla prossima estate. Adrian Glauser è già impaziente di vedere le immagini che il nuovo telescopio invierà sulla Terra.