Tutta la scienza del James Webb Space Telescope

Il nuovo telescopio spaziale permetterà di spingere lo sguardo ben oltre quello di Hubble, di cui raccoglie il testimone, studiando a fondo le più lontane e antiche galassie dell’universo, la formazione delle prime stelle e dei sistemi planetari e perfino le caratteristiche fisiche degli esopianeti. E la ricerca italiana è in prima fila
di Emiliano Ricci
www.lescienze.it

La prima volta che si parlò di un possibile successore dello Hubble Space Telescope (HST) fu durante un convegno allo Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora, in Maryland, a settembre 1989, quando l’allora direttore dell’istituto, Riccardo Giacconi, propose “di pensare alla prossima grande missione dopo Hubble”. Il telescopio spaziale Hubble doveva ancora essere lanciato – il lancio avvenne nell’aprile 1990 – e Giacconi già pensava al futuro dopo Hubble.

Adesso, 32 anni dopo quella prima proposta, con 14 anni di ritardi e rinvii rispetto al primo lancio programmato (la prima previsione del 1996 – quando venne avviato lo sviluppo della missione – lo fissava nel 2007) e quasi 11 miliardi di dollari di spesa, il James Webb Space Telescope (JWST) è finalmente sulla rampa di lancio del Guiana Space Centre di Kourou, nella Guiana francese, da cui, a bordo del razzo vettore Ariane 5, partirà il 25 dicembre alle 13.20, ora italiana, alla volta dello spazio, pronto a raccogliere il testimone di Hubble e a ereditarne il compito di rivoluzionare l’astrofisica e la cosmologia del XXI secolo.

Inizialmente chiamato Next Generation Space Telescope (NGST), nel 2002 venne deciso di rinominarlo dedicandolo a James Webb (1906-1992), colui che, come direttore della NASA, portò gli Stati Uniti alla conquista della Luna (anche se lasciò l’agenzia spaziale nell’ottobre 1968, alcuni mesi prima del successo della missione Apollo 11).

Per inciso, alcuni mesi fa un gruppo di astronomi ha avviato una petizione on line per chiedere alla NASA di cambiare il nome al telescopio, in quanto si riteneva che James Webb, anche come direttore della NASA, avesse condotto azioni discriminatorie nei confronti di persone appartenenti alla comunità LGBT+. Un’inchiesta interna della NASA ha per il momento attestato che non esistono prove in tal senso e che pertanto la missione può conservare il nome, anche se verranno svolte indagini ancora più approfondite.

Da Hubble a JWST
A differenza del telescopio Hubble, che venne portato nello spazio nella stiva dello shuttle Discovery, uno strumento grande come JWST – il cui specchio primario è di 6,5 metri di diametro, contro i 2,4 di HST – non troverebbe posto in nessun vettore. Per questo motivo è stato progettato con alcune componenti pieghevoli, fra cui lo specchio stesso (composto da un mosaico di 18 specchi esagonali, ciascuno da 1,32 metri di apertura, suddivisi in un corpo centrale e due blocchi laterali), i pannelli solari e, soprattutto, lo schermo protettivo, grande quanto un campo da tennis, composto da cinque strati leggerissimi e sottilissimi di materiale riflettente (kapton), capace di mantenere lo specchio e gli strumenti di bordo costantemente protetti dalla radiazione del Sole (e quindi a bassa temperatura).

Il telescopio è infatti dotato di quattro strumenti, fra camere e spettroscopi infrarossi: la Near-Infrared Camera (NIRCam), il Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), il Mid-Infrared Instrument (MIRI) e il Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), tutti con condizioni operative di temperatura molto stringenti.

Date queste caratteristiche, il completo dispiegamento del telescopio richiederà alcuni mesi, e le attività osservative effettive non potranno iniziare prima di sei mesi dal lancio (giugno 2022). E ogni operazione dovrà svolgersi alla perfezione e senza alcun intoppo, perché JWST verrà posizionato a 1,5 milioni di chilometri di distanza dal nostro pianeta, in prossimità del punto lagrangiano L2 (uno dei punti di equilibrio gravitazionale del sistema Terra-Sole, localizzato dalla parte opposta del Sole rispetto alla Terra, visibile quindi sempre dalla parte in ombra del nostro pianeta), dove nessuna missione umana potrebbe mai venire inviata per operare eventuali riparazioni o interventi di manutenzione, come invece è stato più volte fatto per il telescopio spaziale Hubble.

Ad aiutarci ad approfondire il confronto fra Hubble, che in trent’anni di osservazioni ha rivoluzionato l’astrofisica e la cosmologia, e JWST è Amedeo Balbi, professore associato di astronomia e astrofisica all’Università di Roma Tor Vergata.

Anche JWST potrà degnare una rivoluzione paragonabile a quella di Hubble, anche se il suo tempo operativo sarà di dieci anni? “Intanto, va detto che la durata di missione nominale è di cinque anni, ma la speranza è di riuscire ad arrivare a dieci”, premette Balbi. “A differenza di HST, il cui funzionamento è stato esteso ben oltre le aspettative (anche grazie agli interventi degli astronauti dello Space Shuttle), JWST ha bisogno di combustibile per mantenere l’orbita, il che ne limita la durata complessiva. A ogni modo, ci si aspettano grandi cose da JWST in almeno tre campi: lo studio delle prime galassie dell’universo, e la loro evoluzione; la formazione delle prime stelle e dei sistemi planetari; lo studio della composizione atmosferica e delle caratteristiche fisiche dei pianeti attorno ad altre stelle.”

Perché JWST viene sempre paragonato all’HST e non ai precedenti telescopi spaziali a infrarossi, come Spitzer e Herschel? Questi ultimi quanto sono riusciti a indagare dell’universo infrarosso? “In effetti – puntualizza Balbi – il paragone tra HST e JWST non è del tutto appropriato, perché HST copriva tutto lo spettro visibile, l’ultravioletto e il vicino infrarosso, mentre JWST osserva a lunghezze d’onda più grandi, che partono dalla luce nella parte rossa dello spettro visibile e arrivano fino al medio infrarosso. I due strumenti sono spesso accomunati più per l’idea di un passaggio di consegne ‘generazionale’ tra telescopi spaziali, che per una reale somiglianza tra gli strumenti.”

“Neanche Spitzer e Herschel – prosegue Balbi – sono del tutto sovrapponibili a JWST, perché erano strumenti che si spingevano nel lontano infrarosso. In generale, l’infrarosso è importante in astronomia perché permette di osservare regioni che nella banda visibile sarebbero oscurate dalla polvere, e anche galassie distanti la cui luce ha subito il fenomeno del redshift. Quello che conta però non è solo la banda che uno strumento può coprire, ma anche altri fattori come la sensibilità e la risoluzione. In sostanza, JWST potrà investigare fenomeni che gli altri strumenti non potevano osservare, ed è stato ottimizzato soprattutto per osservare le galassie più distanti (e quindi più giovani, dato che la loro luce è partita nelle epoche iniziali dell’universo).”

Come già accennato, da una previsione di costo iniziale di “appena” un miliardo di dollari, nel tempo il costo del progetto è lievitato fino a circa 11 miliardi di dollari. Di questi, 9,7 miliardi di dollari sono stati messi a disposizione dalla NASA, ma alla missione partecipano anche l’Agenzia spaziale europea (ESA), che ha contribuito con 700 milioni di euro (circa 810 milioni di dollari USA), e quella canadese CSA, che partecipa con 200 milioni di dollari canadesi (circa 160 milioni di dollari USA) di contributo. Grazie a queste quote, sia il Canada che gli Stati europei aderenti all’ESA si sono assicurati una parte del tempo osservativo dello strumento, naturalmente molto ambito, date le sue enormi potenzialità.

La selezione delle proposte osservative per il primo ciclo di operazioni – denominato “General Observer Cycle 1” – ha visto un’ampia partecipazione di ricercatori italiani, sia come “principal investigator” (PI) che come “co-investigator” (co-I) o comunque membri dei vari gruppi di ricerca. Molti di questi sono affiliati a istituzioni straniere (università, osservatori, centri di ricerca), ma nove PI lavorano in Italia: sette all’Istituto nazionale di astrofisica (INAF), uno all’Università di Milano, uno alla Scuola normale superiore di Pisa. “Le Scienze” ha raggiunto alcuni di loro per farsi raccontare i loro progetti di ricerca e che cosa sperano di scoprire raccogliendo dati con il James Webb Space Telescope.

Come nasce una stella
“La mia ricerca riguarda lo studio delle prime fasi di formazione di una stella, cioè la cosiddetta fase protostellare”, spiega a “Le Scienze” Brunella Nisini, dell’INAF-Osservatorio astronomico di Roma. “Questa è una fase molto breve della vita di una stella, che dura meno di un migliaio di anni. Le protostelle sono oggetti ancora parzialmente immerse nella nube molecolare all’interno della quale si sono formate per effetto del collasso gravitazionale, e accrescono in massa da un disco circumstellare di polveri e gas. Connessa all’accrescimento c’è la formazione di potenti getti collimati di materia, emessi in direzione perpendicolare al disco. La mia ricerca punta a comprendere i meccanismi che regolano i diversi fenomeni che avvengono intorno alla protostella, come il disco di accrescimento e i getti di materia, e a studiarne l’evoluzione che si concluderà con la formazione di un sistema stella-pianeti simile al nostro sistema planetario.”

In che modo JWST le sarà di aiuto? Che cosa le permetterà di osservare rispetto agli strumenti attualmente operativi da terra e dallo spazio? “Le zone più interne delle protostelle – prosegue Nisini – sono ancora immerse all’interno della nube in cui avviene la formazione e questo ne impedisce l’osservazione alle lunghezze d’onda ottiche. JWST lavorerà invece alle lunghezze d’onda dell’infrarosso, una banda spettrale cruciale per osservare i fenomeni che avvengono nelle regioni fredde edoscurate più vicine al sistema protostellare. Queste lunghezze d’onda sono difficilmente accessibili con telescopi da terra perché l’atmosfera terrestre assorbe la maggior parte della radiazione infrarossa. Molto si è fatto in passato con telescopi infrarossi dallo spazio come Spitzer e Herschel, tuttavia nessuno di loro ha permesso di raggiungere le risoluzioni spaziali che avrà JWST.”

Per la sua ricerca quali strumenti a bordo di JWST userà? “Si utilizzeranno gli strumenti NIRSpec e MIRI – prosegue Nisini – quindi degli spettrometri rispettivamente nel vicino e medio infrarosso, che ci permetteranno di osservare righe spettrali di atomi, molecole e grani di polvere, emesse nelle zone di interazione tra protostella, disco di accrescimento e getti di materia. Le intensità delle righe e la composizione chimica della materia che le genera sono potenti strumenti di indagine per comprendere i processi fisici e chimici che avvengono nelle regioni in cui si originano, svelando quindi i meccanismi alla base di questi processi. Il mio programma ha avuto circa 23 ore di tempo di telescopio, divise tra i due strumenti, per osservare un sistema protostellare chiamato HH46, già oggetto di indagine con diverse missioni spaziali, come per esempio Spitzer, Herschel e HST.”

La formazione dei pianeti
Già da questo programma osservativo si capiscono le potenzialità di questo telescopio, che non solo aiuterà a studiare in dettaglio i meccanismi di formazione stellare, ma anche la formazione e l’evoluzione dei pianeti extrasolari. Come spiega a “Le Scienze” Stefano Facchini, dell’Università di Milano, “uno dei grandi obiettivi del mio campo di ricerca è quello di poter osservare direttamente pianeti in formazione, mentre interagiscono con il loro sistema natale. Queste osservazioni sono molto complesse, e finora solo due pianeti nascenti (protopianeti) sono stati osservati direttamente nel sistema PDS 70. JWST aprirà una nuova finestra nell’osservazione e nella caratterizzazione di questi pianeti nascenti. In particolare, JWST osserverà nell’infrarosso a lunghezze d’onda più lunghe del telescopio spaziale Hubble e dei telescopi da terra, dove l’atmosfera terrestre complica notevolmente l’uso di queste frequenze. Con il suo grande specchio, e i suoi strumenti nell’infrarosso, è lo strumento perfetto per trovare nuovi pianeti, che emettono soprattutto luce infrarossa”.

E quale sarà l’obiettivo del suo studio? “Grazie all’impiego della camera infrarossa NIRCam – prosegue Facchini – usando una tecnica particolare che si chiama ‘Angular Differential Imaging’, confronterò due immagini ottenute da questo strumento per cercare protopianeti nel disco attorno a una stella chiamata AS 209. Questa stella possiede un disco in cui abbiamo evidenze indirette della presenza di pianeti molto massicci, simili a Giove, ma finora non siamo stati in grado di osservarne nessuno per limiti osservativi. In particolare, sfrutterò le lunghezze d’onda più lunghe possibili per la NIRCam, vicino ai cinque micrometri, per massimizzare l’emissione del pianeta, e minimizzare quella della stella centrale. Portando al massimo il contrasto tra pianeta e stella, avremo ottime possibilità di trovare almeno un pianeta.”

Quanto tempo osservativo le è stato assegnato per questa ricerca? “Mi è stato assegnato un totale di 4,6 ore – commenta Facchini – ma l’idea di questo programma è che sia anche un test delle prestazioni di JWST per osservazioni simili. Come accennato, secondo i nostri modelli, almeno un pianeta di massa superiore a quella di Giove sta crescendo nel disco della stella AS 209. Con le nostre osservazioni, speriamo di poter osservare direttamente l’emissione del pianeta stesso, e possibilmente di un piccolo disco circumplanetario attorno a esso. Di fatto, sarà una delle prima immagini della nascita di un nuovo mondo, e il valore di questa scoperta sarebbe incalcolabile.”

Archeologia galattica
Fin qui abbiamo capito quanto l’arrivo di JWST sarà importante per lo studio della formazione stellare e planetaria e degli ambienti in cui queste si sviluppano ed evolvono. Ma, come accennato, gli astronomi si aspettano molto anche nel campo della formazione ed evoluzione delle galassie, argomento chiave nello studio della cosmologia. Una delle ricerche in questo ambito è quella proposta da Anna Marino, dell’INAF-Osservatorio astrofisico di Arcetri, a Firenze. “La mia ricerca – spiega a “Le Scienze” – si può inserire nell’ambito dell’archeologia galattica, cioè lo studio delle stelle più vecchie della nostra galassia, per far luce sulla formazione delle prime stelle e galassie nell’universo primordiale. Nello specifico guardo ad alcuni tra gli oggetti più affascinanti del cielo, gli ammassi globulari, molti dei quali si sono formati poche centinaia di milioni di anni dopo il big bang.”

Perché studia proprio questi oggetti? “Capire i meccanismi di formazione ed evoluzione di questi sistemi stellari è oggi una delle questioni più controverse dell’astrofisica stellare – continua Marino – infatti, per oltre mezzo secolo gli ammassi globulari sono stati considerati il prototipo di una popolazione stellare semplice, con tutte le stelle nate nello stesso ‘burst’ di formazione stellare. Oggi invece sappiamo che questi oggetti sono molto più complessi di quanto immaginavamo e che probabilmente ospitano popolazioni stellari formate in diverse epoche, e che alcuni di loro potrebbero rappresentare i nuclei di galassie nane distrutte dalle interazioni mareali con la Via Lattea. JWST ci permetterà di estendere gli studi sulle popolazioni stellari degli ammassi globulari alle stelle più deboli mai osservate, le nane rosse di classe spettrale M (M-dwarfs), non accessibili ad altri telescopi. Questa analisi sarà cruciale per ottenere informazioni preziose sui meccanismi di formazione delle popolazioni stellari negli ammassi globulari. Il confronto tra popolazioni stellari a masse stellari diverse ci fornirà informazioni preziose su come si sono formate le diverse popolazioni, in particolare se esse corrispondono a diverse generazioni di stelle formatesi in momenti diversi dell’evoluzione degli ammassi o se invece sono coeve e le loro differenze chimiche possono essere ricondotte a fenomeni di accrescimento e trasferimento di massa avvenute nelle prime fasi dell’evoluzione di questi sistemi stellari.”

Come si svolgerà in concreto la sua ricerca? “L’obiettivo è effettuare in parallelo osservazioni spettroscopiche e fotometriche”, spiega ancora Marino. “Nello specifico, nelle 19 ore di tempo osservativo assegnato, utilizzeremo le capacità multi-oggetto di NIRSpec che ci permetteranno di osservare spettri di decine di M-dwarfs. Simultaneamente, NIRCam osserverà immagini in un campo parallelo. Il confronto delle abbondanze chimiche che osserveremo nelle M-dwarfs con quelle già disponibili per le stelle giganti ci permetterà di capire se le variazioni chimiche sono dovute a trasferimento di massa o se invece sono più compatibili con uno scenario di generazioni stellari multiple.”

Nuclei galattici attivi
Ma fra gli oggetti di studio di JWST non possono certo mancare i nuclei galattici attivi e i buchi neri supermassivi ospitati al loro interno. Che sono infatti l’argomento della proposta osservativa di Roberto Decarli, dell’INAF-Osservatorio di astrofisica e scienza dello spazio di Bologna. “La mia ricerca – spiega a “Le Scienze” – consiste nello studio e nella caratterizzazione dei primi quasar, sorgenti luminosissime nelle quali un buco nero supermassivo cresce a ritmi vertiginosi al centro di galassie massicce in fase di assemblaggio. Questi oggetti astronomici rappresentano una sfida per i modelli di formazione dei buchi neri, e laboratori unici per lo studio della formazione delle prime galassie massicce nell’universo giovane.”

In quali aspetti della ricerca JWST sarà di aiuto? “Vogliamo studiare lo spettro di queste sorgenti – prosegue Decarli – in quanto è ricco di importanti elementi diagnostici che possono rivelare il tasso di formazione stellare, la cinematica del gas, la sua densità e le condizioni di ionizzazione, le abbondanze di elementi come il carbonio, l’ossigeno e l’azoto. Questi elementi diagnostici però non sono osservabili da terra perché, a causa dell’espansione dell’universo, ci appaiono nelle bande infrarosse, dove l’atmosfera terrestre è opaca. JWST ci permetterà per la prima volta di ovviare a questo problema, dandoci la possibilità di ottenere spettri nell’infrarosso con una sensibilità mai raggiunta prima in queste bande. Per questo useremo la modalità di spettroscopia integrale di campo (Integral Field Spectroscopy) dello strumento NIRSpec.”

“In particolare – orisegue Decarli – focalizzeremo la nostra attenzione su una galassia ospite di quasar che sta ‘cannibalizzando’ una galassia compagna, in un processo noto come merger di galassie. L’interazione fra le due galassie ha dato origine a una lunga coda di stelle, gas e polveri già studiato in dettaglio con il radiotelescopio ALMA, con lo strumento MUSE sul Very Large Telescope (VLT), e con il telescopio spaziale Hubble. Con i dati di JWST saremo in grado di caratterizzare questo sistema, mostrando come l’interazione delle galassie contribuisce alla crescita del buco nero, alla formazione di un alone di gas, alla ridistribuzione di metalli nel mezzo gassoso, e alla formazione di nuove generazioni di stelle.”

Che cosa ipotizza di scoprire con queste ulteriori osservazioni? “Con le otto ore di tempo osservativo che ci sono state assegnate, divise in due puntamenti sul sistema in oggetto, e un puntamento in un’area vicina di cielo “vuoto”, usata per le calibrazioni, speriamo di fare luce sui principali processi che regolano la crescita dei primi buchi neri massicci, e come interagiscono con la loro galassia ospite, quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni”, conclude Decarli.

In conclusione
A leggere i vari progetti  presentati, viene da domandarsi quanta innovazione possa portare nello studio dell’astrofisica e della cosmologia uno strumento di questo tipo. “In effetti, l’aspettativa è molto alta”, conferma Balbi. “Ci sono almeno due aree in cui il contributo di JWST potrà essere innovativo. La prima è l’osservazione di un’epoca cosmica che finora è quasi inesplorata, cioè quella in cui si sono accese le prime luci nell’universo. Con l’osservazione della radiazione cosmica di fondo, grazie a strumenti come WMAP e Planck, noi siamo riusciti a vedere l’universo com’era 380.000 anni dopo il big bang. Ma dopo questa fase, è seguita un’era che viene chiamata ‘buia’, perché non si erano ancora formate stelle e galassie. JWST dovrebbe osservare direttamente la fine di questa era, avvenuta intorno a 100 milioni di anni dopo il big bang.”

“Un’altra area da cui ci aspettiamo grandi passi avanti – aggiunge Balbi – è quella che riguarda la caratterizzazione dei pianeti extrasolari. JWST potrà osservare il modo in cui la luce di una stella si modifica attraversando l’atmosfera dei suoi pianeti, e in questo modo potrà dedurre la composizione dell’atmosfera stessa. Questo darà informazioni molto importanti sulla natura fisica del pianeta, sul suo clima, e forse perfino sull’eventuale presenza di vita sulla sua superficie: ma per questo dovremo essere molto fortunati.”

A questo punto la lunga attesa sembra finalmente terminata. Se tutto andrà bene – lancio, manovre orbitali, dispiegamento dello strumento – il James Webb Space Telescope sarà davvero lo strumento che, come già fece l’Hubble Space Telescope trent’anni fa, sconvolgerà la nostra conoscenza dell’universo. E a contribuire a questa rivoluzione di conoscenza troviamo impegnati in prima fila anche ricercatrici e ricercatori del nostro paese, a dimostrare ancora una volta la validità della ricerca di base in Italia.