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Il Telescopio James Webb è pronto per le operazioni scientifiche

Il telescopio spaziale cattura un'immagine di prova: un vero traguardo per il suo allineamento nelle osservazioni spaziali.

Categorie Astronomia · Missioni spaziali · SpaceMix · Veicoli spaziali

Il telescopio spaziale James Webb (JWST) è ora completato. La NASA ha informato che lo strumento è stato focalizzato esattamente come previsto, producendo immagini davvero incredibile. Negli ultimi giorni tutti i mezzi atti a svolgere gli specifici compiti e gli specchi (primario e secondario) del telescopio hanno raggiunto la calibrazione corretta. Si tratta di un momento fondamentale perché da qui in avanti James Webb potrà finalmente intraprendere la sua campagna scientifica.

Dove si trova attualmente il telescopio James Webb

JWST si è inserito con successo in orbita attorno al secondo punto di Lagrange (L2). Uno dei punti nello spazio in cui gli oggetti spaziali inviati lì tendono a rimanere fermi. Esso si trova a circa 1 milione di km dalla Terra, ottimo punto sia per la stabilità dell’illuminazione solare sia per la gestione termica. In questo modo, il telescopio avrà sempre il Sole, la Terra e la Luna dietro di sé ed effettuerà osservazioni tutto il giorno. In quest’orbita sono già presenti alcuni veicoli spaziali, tra cui la sonda Gaia.

La metodologia dell’allineamento di JWST

La difficoltà tecnologica utilizzata nel telescopio risiede nell’impiego contemporaneo di numerosi strumenti. Essa deve fornire una buona messa a fuoco con immagini nitide e conoscere la posizione relativa del campo visivo di ciascuno strumento. Non a caso il metodo di allineamento è denominato allineamento multistrumento. I 18 segmenti che costituiscono lo specchio primario (fig.1) sono realizzati in berillio e sono ricoperti da uno strato molto sottile di oro. Hanno una precisione di 50 nm per operazioni che avvengono a 1,5 milioni di km dalla Terra.

Telescopio James Webb: i fondamentali strumenti in uso

Durante la maggior parte del processo di allineamento, gli specchi esagonali e lo specchio secondario sono stati focalizzati con lo strumento NIRCam (Near-Infrared Camera). L’osservatorio si è quindi allineato al sensore di guida fine FGS (Fine Guidance Sensor) che serve alla parte di rilevazione per puntare correttamente l’obiettivo desiderato. Poi spetta allo spettrografo a fessura nel vicino infrarosso (NIRISS). Infine si conclude con lo spettrometro nel vicino infrarosso (NIRSpec).

Questa immagine mostra i 18 segmenti individuali che compongono lo specchio principale di James Webb e le tre serie indipendenti di specchi, etichettati con le lettere A, B e C e i numeri da 1 a 6, che corrispondono alla posizione in cui è fissato ogni specchio al momento attuale.
Questa immagine mostra i 18 segmenti individuali che compongono lo specchio principale di James Webb e le tre serie indipendenti di specchi, etichettati con le lettere A, B e C e i numeri da 1 a 6, che corrispondono alla posizione in cui è fissato ogni specchio al momento attuale, telescopio james webb
(credits: NASA/Telescopio spaziale James Webb)

Le sequenze principali delle operazioni

Le procedure di allineamento sono state fondamentali per variare la messa a fuoco e telecamere. I passaggi fondamentali effettuati da JWST sono:

  1. Identificazione dell’immagine catturata dal segmento
  2. Primo allineamento del segmento
  3. Stacking delle immagini (sovrapposizione di più immagini)
  4. Secondo allineamento grossolano
  5. Terzo allineamento preciso
  6. Quarto allineamento con il campo visivo degli strumenti
  7. Eventuali correzioni finali

Le fasi di calibrazioni degli ultimi giorni

Qualche mese fa le 18 immagini prodotte dal JWST, non ancora allineate, apparivano leggermente diverse tra loro (fig.2). Corretti gli errori macroscopici, è stato possibile spostare leggermente lo specchio secondario sfruttando il defocusing. Questa tecnica, che consente di distribuire la luce su una superficie maggiore, è utile quando quello dei pixel sia l’errore dominante. Alle immagini ancora grezze, è stato applicato il Phase Retrieval, per capire il grado di errore nel posizionamento dei segmenti. Passando alla sovrapposizione delle immagini i segmenti vengono allineati verticalmente attraverso spettri acquisiti dalla NIRCam ed inizia l’allineamento di precisione.

Immagine prima del Segment Alignment, visibili grandi errori di posizionamento dei segmenti dello specchio primario e aggiornato l'allineamento dello specchio secondario
Immagine prima del Segment Alignment, visibili grandi errori di posizionamento dei segmenti dello specchio primario e aggiornato l’allineamento dello specchio secondario ,telescopio james webb Credits: NASA/STScI

I risultati del telescopio sono stati sorprendenti, superiori alle aspettative

Si conferma che l’osservatorio è in grado di catturare immagini nitide e ben focalizzate con ciascuno dei suoi strumenti scientifici di bordo. Le prestazioni ottiche del telescopio continuano a essere migliori delle previsioni. La qualità dell’immagine è solo limitata dalla diffrazione e dal potere risolutivo (distanza angolare minima tra due oggetti sufficiente per distinguerli come separati). Ciò significa che James Webb Telescope sta osservando al 100% circa delle sue possibilità, senza alcun difetto nelle strumentazioni. Da questo momento in poi le uniche modifiche agli specchi saranno regolazioni periodiche molto piccole ai segmenti dello specchio primario.

La prima foto “di test”

L’allineamento del telescopio su tutti gli strumenti di Webb può essere visto in una serie di immagini che catturano l’intero campo visivo dell’osservatorio. Il nuovo traguardo si mostra nella nuova immagine di prova (fig.3), verificando la bontà delle osservazioni del telescopio James Webb. La porzione di stelle osservata è situata nella Grande Nube di Magellano, galassia nana . Quest’ultima sarebbe composta da un numero di stelle variabile da poche migliaia ad alcuni miliardi. Probabilmente si tratta di una galassia satellite della Via Lattea che fornisce un campo denso di centinaia di migliaia di stelle attraverso tutti i sensori dell’osservatorio.

Cosa ci dicono le immagini

Le foto ingegneristiche provenuteci di stelle ben focalizzate nel campo visivo di ogni strumento dimostrano che il telescopio è completamente allineato e a fuoco. Le dimensioni e le posizioni delle immagini raffigurano la disposizione relativa degli strumenti sul piano focale del telescopio. Ciascuno di questi è rivolto verso una parte leggermente sfalsata del cielo l’uno rispetto all’altro. La forma delle stelle a sei è dovuta probabilmente alla diffrazione dei bordi dei segmenti esagonali e dal bordo dello specchio principale.

I tre strumenti di imaging del telescopio Webb sono la NIRCam, il NIRISS e MIRI, mentre NIRSpec è uno spettrografo capace di acquisire immagini per le calibrazioni.
I tre strumenti di imaging del telescopio Webb sono la NIRCam, il NIRISS e MIRI, mentre NIRSpec è uno spettrografo capace di acquisire immagini per le calibrazioni, telescopio james webb Credits: NASA/STScI

E le strisce nere nei dati NIRSpec?

NIRSpec è uno spettrografo piuttosto che un imager ma può acquisire immagini per le diverse calibrazioni (come l’immagine da 1,1 micron mostrata sopra). Le regioni scure visibili in alcune parti dei dati NIRSpec (fig.4) sono dovute alle strutture del suo array di microshutter. Esse sono paragonabili a piccole finestre con persiane che misurano ciascuna 100 per 200 micron circa le dimensioni di un fascio di pochi capelli umani. Gli array di queste minuscole finestre rappresentano un componente chiave di uno degli strumenti di Webb. Hanno diverse centinaia di migliaia di micro otturatori controllabili che possono essere aperti o chiusi per selezionare quale luce viene inviata allo spettrografo.

Dettaglio che mostra gli array di microshutter
Dettaglio che mostra gli array di microshutter , telescopio james webb Credits: NASA/STScI

Dettagli rilevanti

Nell’ultimo periodo, durante la messa a fuoco della stella luminosa 2MASS J17554042+6551277 (fig.5) , l’ottica di JWST e NIRCam si sono dimostrati davvero sensibili. Si è potuto osservare le galassie e altre stelle in secondo piano. Durante la fasatura fine si misurano e si correggono gli errori di allineamento rimanenti utilizzando lo stesso metodo di sfocatura applicato durante l’allineamento del segmento. Ciascuno dei segmenti dello specchio primario è stato regolato per produrre un’immagine unificata della stessa stella utilizzando solo lo strumento NIRCam . La foto ha impiegato poi un filtro rosso per ottimizzare il contrasto visivo.

La precisione del telescopio James Webb

Tra i numerosi strumenti, il telescopio è munito di un sensore di orientamento di precisione. Questo rappresenta una guida capace di rilevare cambiamenti in un determinato corpo celeste. La sua accuratezza sarebbe paragonabile alla vista di una persona a New York in grado di vedere il movimento dell’occhio di qualcuno che sbatte le palpebre al confine canadese da più di 300 miglia di distanza!

Stella 2MASS J17554042+6551277 al centro della foto individuata da James Webb Telescope
Stella 2MASS J17554042+6551277 al centro della foto individuata dal telescopio james webb, Credits: NASA / STScI )

Le immagini di prova hanno un’altra utilità

Con i dati dell’immagine non solo si valuta la nitidezza della foto. Si misurano anche le sottili distorsioni dell’immagine e gli allineamenti tra i sensori come parte del processo complessivo di calibrazione dello strumento di Webb. Le tracce del sensore di guida di Webb indirizzano la luce delle stelle a puntare l’osservatorio in modo accurato e preciso; i sensori non sono generalmente utilizzati per l’imaging scientifico ma possono acquisire immagini di calibrazione come quelle mostrate.

L’importanza del raffreddamento per le operazioni future del telescopio James Webb

Come mai prima d’ora, lo scopo di osservare l’Universo nell’infrarosso è quello riflettere su due problematiche tecniche (fig.6). La prima riguarda le emissioni nell’infrarosso degli strumenti utilizzati per l’ottica ed elettronica del Webb. Il raffreddamento di ogni componente ridurrebbe queste emissioni, fornendo uno sguardo indisturbato all’Universo. Il secondo problema è noto come dark current (corrente scura). Esso si verifica quando una corrente viene creata dalla vibrazione di atomi nei detector stessi. La corrente simula allora il segnale di una sorgente esterna e porta a false impressioni su ciò che il telescopio James Webb sta osservando. La riduzione della temperatura diminuirebbe inoltre la velocità di vibrazione degli atomi dei detector e manterrebbe dati pressoché corretti.

Temperatura dei principali strumenti di bordo in funzione dei giorni dalla partenza dalla Terra
Temperatura dei principali strumenti di bordo in funzione dei giorni dalla partenza dalla Terra, Credits:Goddard Space Flight Center della NASA

Telescopio James Webb nei mesi prossimi

Il Telescopio spaziale Webb si sta dimostrando rivoluzionario e potente, soprattutto per le ultime immagini di prova. Rimangono tuttavia alcune attività di calibrazione e poi il telescopio James Webb potrà effettivamente inviare la prima immagine scientifica entro l’estate. Il nuovo grande telescopio spaziale potrà affiancare il telescopio spaziale Hubble nelle osservazioni e in futuro sostituirlo.

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