James Webb Space Telescope: tutto sul telescopio che sta rivoluzionando lo studio del cosmo

Il James Webb Space Telescope della NASA è il telescopio spaziale più avanzato mai costruito e ha già iniziato a rivoluzionare la nostra comprensione del cosmo.

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A cura di Filippo Bonaventura

L'occhio più grande che l'umanità abbia mai portato fuori dall'atmosfera terrestre. Il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, così chiamato in onore del primo amministratore dell'agenzia spaziale americana, è il più avanzato telescopio spaziale a raggi infrarossi mai realizzato, nonché il più grande e più costoso. In termini di prestazioni e possibilità scientifiche rappresenta un vero e proprio salto generazionale rispetto agli altri telescopi che abbiamo messo nello spazio negli anni e nei decenni passati: grazie alla sua tecnologia di progettazione avanguardista potrà ampliare la nostra conoscenza dell'Universo, già intrapresa da Hubble, dal quale si differenzia per caratteristiche e capacità.

Lanciato il giorno di Natale del 2021 su un razzo Ariane 5 dalla rampa di lancio ELA-3 di Arianespace, dopo numerosi rinvii e ritardi, il JWST è stato progettato e costruito dalla NASA con l'aiuto dell'ESA (agenzia spaziale europea) e della CSA (agenzia spaziale canadese). La sua realizzazione ha richiesto qualcosa come 26 anni di lavoro e un impegno economico di circa 12 miliardi di dollari, con un solo obiettivo: rivoluzionare la nostra conoscenza del cosmo.

Sommario

1Gli obiettivi scientifici del James Webb
2Gli strumenti del JWST
3Lo specchio primario di JWST
4Lo scudo termico per proteggersi dagli infrarossi
5Cosa ha scoperto il James Webb Space Telescope fino ad oggi

Gli obiettivi scientifici del James Webb

Prima di scoprire come è fatto e come funziona James Webb dobbiamo prima capire che cosa è pensato per osservare. Molti telescopi hanno uno scopo molto specifico, per esempio scoprire nuovi pianeti extrasolari oppure mappare quante più stelle possibile nella nostra galassia. JWST, invece, in gergo tecnico è definito un telescopio multi-purpose, cioè in grado di rispondere in maniera versatile a svariati obiettivi scientifici. Anche il telescopio spaziale Hubble, lanciato nel 1990, è un telescopio “tuttofare”.

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Ciò non toglie comunque che James Webb abbia un suo “spirito”, un obiettivo primario. Che è studiare l'universo profondo con un livello di dettaglio inedito. Il termine “universo profondo” si riferisce agli oggetti più distanti del cosmo, nello spazio e (di conseguenza) nel tempo. Prima di Webb siamo riusciti a osservare oggetti fino a circa 300 milioni di anni dal Big Bang; JWST invece può spingersi fino a 100 milioni di anni dal Big Bang.

Immagine — Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI.

Insomma, Webb è pensato principalmente per osservare l'universo primordiale. Come e quanto nacquero le prime stelle? Ne esistono ancora? E come si formarono le galassie? Queste sono alcune domande fondamentali ma tuttora irrisolte in astronomia, a cui speriamo di dare una risposta proprio grazie a James Webb.

La sua predisposizione a guardare oggetti deboli e lontani lo rende ideale per osservare le supernovae distanti, utilissime in ambito cosmologico, ma anche asteroidi, comete e altri corpi minori del sistema solare. Un'altra importantissima categoria di oggetti che studierà JWST saranno le protostelle, ovvero stelle in fase di formazione. Per non parlare poi dei pianeti extrasolari, di cui è in grado di analizzare chimicamente le atmosfere molto più nel dettaglio di quanto fosse possibile prima.

Dall'enorme al piccolo, non c'è dubbio che James Webb sia in grado di occuparsi di moltissime questioni chiave dell'astrofisica e della cosmologia contemporanee.

Gli strumenti del JWST

JWST osserva il cielo non nella luce che possono vedere i nostri occhi, ma in banda infrarossa. Il motivo è che la luce degli oggetti più distanti del cosmo è spostata verso questa banda: le galassie lontane sono molto più luminose negli infrarossi che in luce visibile!

A questo scopo, James Webb è dotato di ben quattro strumenti scientifici.

NIRCam (Near Infrared Camera): è lo strumento principale di James Webb. Permette di ottenere immagini ad altissima risoluzione nel vicino infrarosso. È dotato di coronografi, cioè strumenti che possono bloccare la luce di una stella permettendo così di osservare e studiare i suoi pianeti.
NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph): è uno spettrografo, cioè non produce immagini ma disperde la luce nelle sue varie lunghezze d'onda per ricavare informazioni cruciali sugli oggetti osservati, come la loro distanza, velocità e composizione chimica. Può raccogliere spettri di oltre 100 oggetti contemporaneamente.
MIRI (Mid-InfraRed Instrument): questo strumento può produrre sia immagini sia spettri nel medio infrarosso.
FGS/NIRISS: è costituito da uno strumento di puntamento FGS (Fine Guidance Sensor) e un altro strumento nel vicino infrarosso, NIRISS (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph), pensato per lo studio dei pianeti extrasolari.

Lo specchio primario di JWST

Protagonista indiscusso del telescopio spaziale è il suo specchio primario. James Webb ha un complesso sistema di quattro specchi: il principale di questi, del diametro di 6,5 metri e con una massa di 705 kg, è lo specchio più grande mai mandato nello spazio. Tanto grande che, per entrare nel razzo che lo avrebbe lanciato nello spazio, è stato montato su un supporto pieghevole: ecco perché non è fatto di un unico blocco ma è composto da 18 segmenti esagonali!

Il colore giallo è dovuto al fatto che i segmenti (composti di berillio) sono placcati d'oro per garantire la massima riflettività in banda infrarossa.

Lo scudo termico per proteggersi dagli infrarossi

Come già detto, JWST osserva il cielo nei raggi infrarossi. In questa banda la Terra, la Luna e il Sole sono particolarmente luminosi. Ecco quindi che il telescopio dovrà proteggersi dal loro “disturbo infrarosso”, e questo è il motivo della sua forma “a vela”.

Lo scudo termico di James Webb viene mantenuto costantemente rivolto verso la Terra e il Sole, impedendo così ai loro raggi infrarossi di “sporcare” le immagini prodotte dal telescopio. È formato da 5 strati ultrasottili: il primo ha uno spessore di 0,05 mm, gli altri della metà. Questi strati protettivi, larghi pressappoco quanto un campo da tennis, sono composti di Kapton e rivestiti da un sottilissimo strato di alluminio di appena 100 milionesimi di millimetro che li rende estremamente riflettenti.

Grazie allo scudo, gli strumenti scientifici possono essere mantenuti a una temperatura di –233 °C per quelli nel vicino infrarosso e –266 °C per MIRI. Questo è essenziale per impedire al calore degli strumenti stessi di disturbare le immagini (poiché nello spazio il calore viene ceduto all'esterno proprio tramite raggi infrarossi).

Lo scudo è così efficiente che può abbattere ben 300 °C in appena qualche centimetro di spessore.

Per mantenersi più lontano possibile dalla Terra, dalla Luna e dalla loro emissione infrarossa, il telescopio è stato posizionato a 1,5 milioni di km da noi, nella direzione opposta rispetto al Sole. Questo è il cosiddetto punto lagrangiano L2, un punto di relativa stabilità gravitazionale che consente a JWST di mantenersi in posizione e di non perdere mai di vista il nostro pianeta, in modo da poter sempre comunicare con esso anche se a distanza.

JWST non si trova esattamente in L2 ma compie un'orbita della durata di circa 6 mesi attorno a questo punto.