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Gli ingegneri e gli scienziati del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) hanno sviluppato elementi ottici cruciali per il Coronagraph Instrument (CGI) del telescopio spaziale Roman e li hanno consegnati al Jet Propulsion Laboratory (JPL) negli Stati Uniti. Il CGI completamente assemblato e testato è recentemente arrivato al Goddard Space Flight Centre (GSFC) della NASA, dove sarà integrato nel telescopio. Il CGI testerà un innovativo design della fotocamera che consente l’imaging diretto e la spettroscopia di esopianeti in orbite ravvicinate attorno a stelle lontane. Questo progetto ha il potenziale per la prima rilevazione diretta di una seconda Terra.
Il Nancy Grace Roman Space Telescope (ex WFIRST) è stato in fase di sviluppo per circa un decennio sotto la guida della NASA. Il diametro dello specchio primario è di 2,4 metri ed è una copia dello specchio principale del telescopio spaziale Hubble.
Il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, ha costruito i componenti opto-meccanici cruciali per uno dei due strumenti scientifici, il Coronagraph Instrument (CGI).
Il CGI è uno studio tecnologico che testa un nuovo progetto di misurazione per il rilevamento di esopianeti mediante imaging diretto.
Se riuscirà a fotografare in modo affidabile pianeti gassosi simili a Giove vicino alle loro stelle madri sotto forma di un punto di luce, come previsto, la tecnica potrebbe essere utilizzata per rilevare e studiare pianeti rocciosi come la Terra con i futuri telescopi spaziali.
MPIA ha progettato e prodotto sei modelli di volo e altri sei modelli ingegneristici dei Precision Alignment Mechanisms (PAM).
Questi meccanismi, che regolano e stabilizzano i componenti ottici come gli specchi e i filtri della CGI durante le osservazioni, sono stati meticolosamente realizzati e rigorosamente testati nelle officine e nei laboratori di MPIA.
L’azienda von Hoerner & Sulger della vicina città di Schwetzingen ha fornito supporto durante la fase di costruzione.
Dalla primavera del 2022 Oliver Krause, capo del gruppo di ricerca Infrared Space Astronomy, e il suo team hanno gradualmente consegnato questi elementi fondamentali CGI al Jet Propulsion Laboratory (JPL) del California Institute of Technology (CalTech) di Pasadena, negli Stati Uniti. Il JPL fa parte della NASA ed è coinvolto nello sviluppo tecnico delle sonde spaziali.
MPIA è partner diretto della NASA e del JPL nel progetto CGI. Soprattutto, la NASA e il JPL sono rimasti impressionati dagli eccezionali risultati ottenuti nella progettazione e produzione dei meccanismi per NIRSpec e MIRI, gli strumenti centrali del telescopio spaziale James Webb. NIRSpec e MIRI forniscono immagini e dati spettacolari dalla metà del 2022.
Il CGI combina per la prima volta due tecniche di osservazione comuni per l’uso nello spazio, la coronografia e l’ottica adattiva.
Gli astronomi utilizzano i coronografi per bloccare gli oggetti luminosi con maschere dedicate per rendere visibili i corpi celesti più deboli nelle loro vicinanze.
Questo metodo permetteva già la rilevazione di esopianeti mediante imaging diretto. Tuttavia, le maschere spesso causano considerevoli artefatti dell’immagine intorno alle stelle bloccate.
Pertanto, qualsiasi potenziale esopianeta che riflette la luce della sua stella madre può essere rilevato in modo affidabile solo a distanze relativamente grandi.
Pertanto, gli astronomi usano questo metodo quasi esclusivamente per trovare pianeti gassosi giganti, simili a Giove, su ampie orbite attorno alle loro stelle ospiti.
Ridurre questi artefatti è essenziale per trovare pianeti più piccoli con orbite più strette. Pertanto, il CGI è anche dotato di un sistema di ottica adattiva che consente un maggiore contrasto di luminosità tra la stella e il pianeta.
Questa tecnologia di solito aiuta a ridurre i disturbi nelle immagini scattate con telescopi terrestri, causati dalla turbolenta atmosfera terrestre.
Per la CGI, questa tecnologia mitiga gli effetti di distorsione del sistema ottico del telescopio.
Tuttavia, la potenza di calcolo necessaria per questo rappresenta una nuova sfida per le telecamere spaziali.
Nel complesso, gli scienziati dovrebbero essere in grado di rilevare gli esopianeti più vicini alle loro brillanti stelle madri come mai prima d’ora, visibili come un punto luminoso di luce nell’immagine.
Il CGI è progettato per identificare un pianeta la cui stella madre vicina è un miliardo di volte più luminosa, più o meno equivalente al contrasto tra Giove e il Sole. Rispetto alle capacità odierne, questo corrisponde a un miglioramento fino a un fattore di mille. Uno spettrografo incorporato faciliterà quindi la ricerca sulla composizione dell’atmosfera di questi pianeti.
Per raggiungere questo obiettivo, i PAM prodotti da MPIA devono garantire un livello estremamente elevato di precisione e stabilità nel posizionamento degli elementi ottici come filtri, coronografi e specchi per diverse ore.
Durante il funzionamento, i PAM non possono inclinarsi di più di 40 milliarcosecondi (3,6 milioni di milliarcosecondi costituiscono un grado) nell’arco di otto ore. Questo vincolo corrisponde a un angolo che permetterebbe di percepire l’altezza di una persona a Los Angeles da Heidelberg.
Questi requisiti e la complessità del CGI lo rendono lo strumento scientifico più elaborato e costoso mai stazionato nello spazio. Se i primi test nello spazio avranno successo, il CGI sarà messo a disposizione degli astronomi per studiare gli esopianeti.
Se la missione CGI avrà successo, l’ottimizzazione della tecnica potrebbe qualificarla per i futuri telescopi spaziali come l’Osservatorio dei mondi abitabili. L’immagine diretta di una seconda Terra sarebbe quindi a portata di mano.
Il Roman Space Telescope, inizialmente chiamato WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope), prende il nome dall’astronoma Nancy Grace Roman, che ha guidato i programmi di ricerca astronomica della NASA per decenni. Tra le altre cose, è stata responsabile della pianificazione scientifica del telescopio spaziale Hubble. Il lancio del telescopio romano è previsto per il 2027.
