Il telescopio spaziale James Webb (in inglese James Webb Space Telescope, JWST, o semplicemente Webb) è un telescopio spaziale per l'astronomia a raggi infrarossi, lanciato il 25 dicembre 2021 dallo spazioporto di Arianespace a Kourou, nella Guiana francese, trasportato in orbita solare da un razzo Ariane 5. Il telescopio è il frutto di una collaborazione internazionale tra l'Agenzia spaziale statunitense (NASA), l'Agenzia spaziale europea (ESA) e l'Agenzia spaziale canadese (CSA).
Panoramica Il JWST, noto come "Next Generation Space Telescope" (NGST, da qui anche l'appellativo di "successore di Hubble"), nel 2002 è stato intitolato a James Webb, amministratore della NASA durante i programmi Gemini, Mercury e Apollo e fautore del centro di controllo del Johnson Space Center (JSC) di Houston, Texas.
Il telescopio Webb ha aperto nuovi orizzonti per l'astronomia a raggi infrarossi grazie a tecnologie di progettazione d'avanguardia. È il più grande telescopio mai inviato nello spazio, e amplierà i percorsi aperti nell'universo dal telescopio Hubble.
Le innovazioni rispetto ai precedenti telescopi spaziali sono il grande specchio primario di 6,5 metri, per studiare lunghezze d'onda nella banda infrarossa, e la presenza di un ampio scudo termico multistrato per il mantenimento di una temperatura operativa molto bassa per bloccare le interferenze da sorgenti di calore non oggetto di studio quali ad esempio il Sole, la Luna, la struttura e la strumentazione stessa del telescopio.
Diversamente da Hubble, Webb orbita intorno al Sole a 1,5 milioni di km dalla Terra al punto L2 di Lagrange, orbita già utilizzata per le missioni WMAP, Herschel e Planck, che tiene il telescopio allineato con l'orbita terrestre consentendo allo scudo di proteggerlo dalla luce e dal calore di Sole, Terra e Luna e garantendo comunicazioni continue con il centro di controllo e un'ininterrotta raccolta di dati non essendo ostacolato dall'interferenza oscuratrice dell'orbita lunare.
Per il JWST sono state sviluppate diverse tecnologie innovative. Le più importanti includono uno specchio primario costituito da 18 specchi esagonali in berillio ultraleggero che dispiegandosi dopo il lancio hanno composto un'unica grande superficie di raccolta. Un'altra caratteristica del JWST è l'ampia schermatura romboidale a cinque strati (separati dal vuoto) in Kapton, un materiale plastico in film che, come un parasole, attenua il calore e garantisce stabilità alle notevoli escursioni termiche a cui gli strumenti sono sottoposti. Lo studio di metrologie estremamente precise nei test acustici e ambientali ha contribuito allo sviluppo di strumenti di precisione (interferometria laser dinamica) nell'ordine dei picometri. Il Webb è fornito di un impianto criogenico (cryocooler) per il raffreddamento (7 K) dei rilevatori nel medio infrarosso e di micro-otturatori innovativi progettati dal Goddard che, come piccole tapparelle programmabili consentono di selezionare determinati spettri di luce durante la simultanea di una osservazione, permettendo di analizzare sino a 100 oggetti contemporaneamente nello spazio profondo con un'ampiezza visuale di 3,2 × 3,3 minuti d'arco.
JWST è il prodotto di una collaborazione tra la NASA, l'ESA e l'Agenzia spaziale canadese (CSA). Il Goddard Space Flight Center della NASA ha gestito le fasi di sviluppo. I principali partner industriali privati sono Northrop Grumman e Orbital ATK per lo scudo termico; lo Space Telescope Science Institute (STScI) che gestisce le operazioni di ricerca, raccolta ed elaborazione dei dati del Webb successive al lancio.
Osservatorio
L'osservatorio è la componente spaziale del sistema JWST (che comprende anche i sistemi a terra) ed è composto da tre elementi: la strumentazione scientifica integrata (ISIM, Integrated Science Instrument Module); il telescopio ottico (OTE, Optical Telescope Element) che comprende gli specchi e la montatura di supporto; il sistema navicella, che comprende la navicella (Spacecraft Bus) e lo schermo solare.
L'OTE è l'occhio dell'osservatorio. Raccoglie la luce proveniente dallo spazio e la invia agli strumenti scientifici situati nel modulo ISIM. La montatura portante (Backplane) supporta la struttura ottica.
Lo schermo solare (Sunshield) separa la parte del telescopio direttamente colpita e riscaldata dalla luce solare (l'intero osservatorio) dai componenti elettronici (ISIM) che, elaborando frequenze dell'infrarosso, devono operare a bassa temperatura. La temperatura di esercizio è mantenuta dal sistema criogenico sotto i
La navicella fornisce le funzioni di supporto per il funzionamento dell'osservatorio e integra i principali sottosistemi necessari al funzionamento del veicolo spaziale: il sistema di energia elettrica, il sistema di controllo dell'assetto, il sistema di comunicazione, il sistema di comando e gestione dei dati, il sistema di propulsione e il sistema di controllo termico.
I blocchi logici sono, nel dettaglio: il sistema ottico (OTE, Optical Telescope Element): Specchio primario e struttura portante (Backplane) Specchio secondario e struttura portante sottosistema ottico (AFT) la strumentazione scientifica integrata (ISIM, Integrated Science Instrument Module) costituita da quattro strumenti: MIRI (Mid-InfraRed Instrument) NIRSpec (Near-InfraRed Spectrograph) NIRCam (Near-InfraRed Camera) FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor / Near InfraRed Imager Slitless Spectrograph) il sistema navicella Schermo solare (Sunshield) Sottosistema navigatore (Spacecraft Bus) Pannelli solari, antenna di comunicazione ad alto guadagno e altri strumenti di controllo e orientamento del telescopio. La strumentazione scientifica è collegata e nel contempo distanziata dal sistema navicella da un braccio telescopico (Deployable Tower Assembly, DTA) realizzato in materiale composito grafite-epossidico, che garantisce stabilità a dispetto delle notevoli escursioni termiche. Tale torretta, oltre a proteggere ulteriormente l'ottica dalle eventuali vibrazioni e dal calore dissipato dal blocco strumenti ISIM, ha lo scopo di consentire ai vari componenti, in fase di dispiegamento nello spazio, di muoversi automaticamente senza entrare in contatto.
Lancio, orbita e posizionamento
Il lancio del telescopio spaziale James Webb è avvenuto il 25 dicembre 2021, su un razzo Ariane 5 dalla rampa di lancio ELA-3 di Arianespace, complesso situato nei pressi di Kourou, in Guiana francese, fornito dall'ESA. La vicinanza equatoriale e la rotazione terrestre contribuiscono ad una spinta ulteriore del razzo vettore.
Il 24 gennaio 2022, il JWST ha completato l'inserimento in orbita intorno al secondo punto di Lagrange (L2). Il punto di equilibrio L2 si trova a 1 500 000 km dalla Terra, in direzione opposta al Sole lungo l'asse Sole-Terra. Nonostante il raggio orbitale maggiore rispetto a quello della Terra, un corpo in orbita intorno a L2 mantiene un periodo orbitale pari a quello terrestre per via della somma dei campi gravitazionali del Sole e della Terra. Il telescopio si è attestato sul punto L2 in un'orbita halo, inclinato rispetto al piano dell'eclittica. Poiché L2 è un punto di equilibrio instabile in cui le accelerazioni gravitazionali esercitate da Sole e Terra costituiscono delle accelerazioni centripete la cui somma consente al telescopio di compiere l'orbita determinata, la sonda segue una traiettoria chiusa intorno al punto di Lagrange nel suo moto di rivoluzione intorno al Sole. La particolarità di questa orbita è di allineare il telescopio su un asse teorico, permettendo allo scudo termico di proteggerlo dalla luce e dal calore di Sole, Terra e Luna.
La posizione di JWST presso L2 rende continue le comunicazioni con la Terra, effettuate attraverso il Deep Space Network (DSN) del JPL, che utilizza tre antenne radio situate in Australia, Spagna e California. Durante le operazioni di routine, JWST effettua sequenze in uplink di comandi e dati di downlink fino a due volte al giorno, attraverso il DSN. L'osservatorio è in grado di eseguire sequenze di comandi (controlli e osservazioni) in modo autonomo. Lo Space Telescope Science Institute, gestore delle ricerche e dei dati, trasferisce i dati settimanalmente ed effettua le opportune correzioni giornalmente.
Sequenza temporale di avvicinamento all'orbita L2
Successivamente al lancio, il raggiungimento dell'orbita consta di fasi programmate in cui vengono effettuate circa 200 operazioni tra correzioni di rotta, assestamenti e controlli delle apparecchiature: Primo giorno: decollo. Il razzo Ariane fornisce la spinta per circa 8 minuti. Webb si separa dal vettore Ariane V mezz'ora dopo il lancio e successivamente dispiega il pannello solare e altri sistemi; spiegamento dell'antenna ad alto guadagno, superamento dell'orbita lunare e prima manovra correttiva. Nella prima settimana: seconda manovra correttiva. Apertura completa dello scudo termico e tensione degli strati isolanti dello schermo solare. Spiegamento specchio secondario e apertura delle ali dello specchio primario. Nel primo mese: inizializzazione software e correzione definitiva dell'orbita di volo. Raggiungimento orbita L2; sollecitazioni elettroniche del modulo ISIM. Nel secondo mese: accensione Fine Guidance Sensor, NIRCam e NIRSpec. Test NIRCam di prima immagine; primo allineamento segmenti specchio primario. Nel terzo mese: allineamento definitivo segmenti specchio primario, attivazione MIRI e prime immagini scientifiche. Assestamento finale sull'orbita L2. Dal quarto al sesto mese: ottimizzazione NIRCam e calibratura di tutti gli altri strumenti. Dopo sei mesi: Webb ha iniziato la sua missione scientifica.
L'8 gennaio 2022 la NASA ha comunicato che lo specchio primario è stato dispiegato al 100%.
Perché un telescopio ad infrarossi L'opacità dell'atmosfera terrestre, causata da elementi come vapore acqueo e anidride carbonica, ostacola la visualizzazione dei telescopi ottici a terra in quanto la luce proveniente dallo spazio viene bloccata o alterata da questi elementi, nonostante le recenti innovazioni dovute all'ottica adattiva che corregge le sfocature in campi ridotti e in presenza di stelle luminose. Il telescopio spaziale Hubble ha ovviato a queste implicazioni, orbitando oltre l'atmosfera. La polvere cosmica e i gas delle nubi interstellari sono però un limite anche per i telescopi ottici spaziali. Inoltre, poiché l'Universo è in costante espansione, la luce dei corpi nello spazio profondo in allontanamento tende anch'essa a spostarsi, giungendo quindi al rilevatore con ridotta frequenza (spostamento verso il rosso). Questi oggetti sono perciò rilevabili più facilmente se osservati con strumenti ottimizzati per lo studio delle frequenze nell'infrarosso.
Le osservazioni a raggi infrarossi consentono lo studio di oggetti e di regioni dello spazio altrimenti oscurate dai gas e dalle polveri nello spettro visibile. Le nubi molecolari feconde di formazioni stellari, i dischi protoplanetari, e i nuclei di galassie attive sono tra gli oggetti relativamente freddi (rispetto alle temperature stellari) che emettono radiazioni prevalentemente nell'infrarosso e quindi studiabili da un telescopio a infrarossi.
Studio dei corpi nel vicino e medio infrarosso A seconda delle proprietà termiche e fisiche dei corpi oggetto di studio, le osservazioni nel medio e vicino infrarosso sono più appropriate in base al seguente prospetto:
Vicino infrarossoMedio infrarossoLuce ultravioletta dalle galassie distanti Luce visibile delle galassie distantiMolecole e atomi ad alte energieMolecole a basse energieSistemi protostellari in formazioneStelle molto giovani in formazioneEsopianeti caldi vicini alle proprie stelleEsopianeti distanti dalle proprie stelle a temperature terrestri
Le osservazioni nel medio infrarosso caratterizzeranno nane brune, comete e altri oggetti della fascia di Kuiper, pianeti del sistema solare ed esopianeti.
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