Spazio

Con il James Webb Telescope vedremo come tutto cominciò

Sta per partire James Webb Space Telescope, il più sofisticato telescopio mai realizzato. Guarderà indietro nel tempo, agli albori dell’universo. Suo “papà”, il Nobel John Mather, ci racconta che cosa può svelarci.

L'origine della vita, dei pianeti, delle stelle, delle galassie. E dell'universo intero. Sono questi gli obiettivi del più ambizioso tra gli osservatori di nuova generazione in orbita attorno alla Terra, il James Webb Space Telescope (Jwst) frutto della collaborazione tra la Nasa, l'Esa e l'Agenzia spaziale canadese.

Questo strumento ai limiti delle possibilità tecnologiche attuali – tanto che la sua messa in orbita è stata ritardata di quasi 15 anni rispetto ai piani iniziali – sarà a tutti gli effetti un degno successore di Hubble, il telescopio che ha cambiato la nostra concezione dell'universo con immagini di straordinaria bellezza e importanza scientifica. Con uno specchio principale quasi 3 volte più largo di quello del suo predecessore (6,5 metri contro 2,4) e con sensori di ultima generazione, il James Webb Space Telescope potrà scrutare con maggior dettaglio nell'universo lontano. Di questo gioiello tecnologico costato quasi 10 miliardi di dollari abbiamo già parlato su Focus n. 306. Ora, in occasione del lancio, abbiamo intervistato il suo "papà", il fisico John Mather della Nasa. Ecco che cosa ci ha detto.


Dopo tanti anni di attesa, il James Webb Space Telescope sta per essere lanciato. Lei, che più di tutti ne è il padre, come si sente al riguardo?

Sono elettrizzato dal fatto che abbiamo quasi finito di costruirlo e siamo quasi pronti per inviarlo nel punto di osservazione (nel momento dell'intervista, ndr).


Questo nuovo telescopio è considerato il successore di Hubble. In che senso?
È un successore nel senso che estende il campo di indagine a distanze e a lunghezze d'onda maggiori, che ci permetteranno di osservare oggetti più freddi e più antichi di quelli che Hubble poteva rilevare. In tal modo, speriamo di vedere i segni dell'intera storia dell'universo, dalla formazione delle prime stelle e galassie ai pianeti del Sistema solare. Jwst proseguirà le ricerche che Hubble ha già iniziato, e potrà osservare lunghezze d'onda fino a 0,6 micron (millesimi di mm), che sono visibili all'occhio umano. Quindi avrà una certa capacità di osservare le lunghezze d'onda visibili, ma la sua forza è molto maggiore nell'infrarosso.

L'astrofisico e cosmologo statunitense John Mather.
L'astrofisico e cosmologo statunitense John Mather.

Quali sfide tecnologiche avete dovuto affrontare per costruire uno strumento del genere?
Il numero di sfide che abbiamo dovuto affrontare è stato enorme. Innanzitutto, il telescopio in sé è molto più grande del razzo che lo lancerà, quindi deve essere ripiegato per il lancio, aperto nello spazio e infine messo a fuoco. Tutto questo ha richiesto un enorme investimento in termini di tempo di progettazione. Abbiamo anche dovuto imparare a realizzare specchi estremamente leggeri, perché l'intera massa del telescopio è circa la metà di quella di Hubble, anche se la superficie di raccolta è 7 volte maggiore.

Per questo il lancio, inizialmente previsto per il 2007, è stato rinviato di tanti anni?
L'intero progetto è stato più difficile di quanto era stato stimato. Avevamo una grande ambizione, all'inizio, in quanto i vertici della Nasa volevano fare le cose meglio di prima, più velocemente, e anche a un costo inferiore. Ma non è stato possibile, in questo caso. Il telescopio Webb è stato costruito con tecnologie che inizialmente non erano disponibili, perché non erano ancora state inventate quando abbiamo iniziato la missione.

Chi è John Mather

John Cromwell Mather (nato nel 1946) è un astrofisico e cosmologo statunitense, che ha ricevuto il Premio Nobel nel 2006 insieme a George F. Smoot per i suoi studi sulla radiazione cosmica di fondo con il satellite Cobe (Cosmic Background Explorer). Questo strumento, che ha rafforzato la teoria del Big Bang, per il comitato del Nobel ha segnato "l'inizio della cosmologia come scienza di precisione".

Sguardo al futuro. Astrofisico al Goddard Space Flight Center della Nasa e docente all'Università del Maryland (Usa), Mather è a capo del team scientifico del James Webb Space Telescope, ed è impegnato anche in altri progetti della Nasa, tra cui l'avveniristico Starshade per la ricerca di pianeti simili alla Terra. È stato indicato da Time nel 2007 come una delle 100 persone più influenti al mondo e nel 2012 come una delle 25 più influenti nello spazio.

Quali sono gli obiettivi del telescopio?
Abbiamo diversi obiettivi. Innanzitutto, vogliamo vedere la formazione delle primissime stelle, delle galassie e dei buchi neri, e lo faremo guardando oggetti molto lontani. Guardiamo lontano nello spazio per vedere indietro nel tempo. Questo perché la luce viaggia molto velocemente ma non a velocità infinita, quindi vediamo i corpi celesti come erano (al momento dell'emissione della luce, ndr) piuttosto che come sono ora. Così possiamo guardare indietro nel tempo, per vedere le primissime cose che sono nate dal materiale del Big Bang.

Vogliamo anche vedere come crescono le galassie. Non possiamo osservare direttamente come cambia una singola galassia, perché è un processo troppo lento; ma possiamo vedere come erano diverse le galassie, molto tempo fa, rispetto a come sono ora. Sappiamo che le galassie hanno raggiunto un picco di attività quando l'universo aveva 2 o 3 miliardi di anni: in quel periodo le stelle nascevano continuamente e i buchi neri crescevano, inghiottendo il materiale disponibile nelle vicinanze. Tutta questa attività ora è diminuita.

Vogliamo poi studiare la formazione delle stelle. Tutti possono individuare, anche a occhio nudo, la nebulosa nella zona centrale della spada nella costellazione di Orione: lì ci sono stelle nate da poco, ed è una cosa molto bella da vedere al telescopio. Ma gli astronomi vogliono andare oltre. Vorrebbero guardare all'interno delle nubi di gas e polveri – vere e proprie incubatrici – per spiare come effettivamente cresce una stella e come si formano i pianeti. D'altra parte, negli ultimi anni abbiamo appreso che i pianeti sono comuni nell'universo, la maggior parte delle stelle li ha. E tuttavia non ne abbiamo ancora trovato nessuno, tra le migliaia osservate, che sia simile alla Terra. Quindi vorremmo conoscere meglio la nostra storia attraverso l'osservazione di pianeti intorno ad altre stelle, e anche attraverso lo studio dei pianeti e dei piccoli corpi celesti del Sistema solare.


In quali di questi campi si aspetta più sorprese?
Ci sono un paio di aree, di cui finora non sappiamo quasi nulla, nelle quali penso che le sorprese siano possibili. I primissimi oggetti che sono cresciuti dal materiale del Big Bang avrebbero potuto essere molto diversi da quelli che vediamo oggi. C'è la possibilità che siano cresciuti rapidamente e si siano distrutti, o che siano stati inghiottiti da qualcos'altro, così che non se ne troverebbero più le tracce nel materiale che si è formato più di recente; ma forse potremmo vederli direttamente guardando abbastanza indietro nel tempo. Un'altra possibilità riguarda i pianeti. Sappiamo che ce ne sono tanti… ma perché nessuno è come la Terra? Forse perché è difficile trovarli: penso che i pianeti come la Terra ci siano, ma non possiamo ancora vederli. Il James Webb potrebbe riservare sorprese anche in questo campo.

I principali obiettivi del telescopio James Webb

Big Bang Webb cercherà di chiarire il ruolo della materia oscura all'origine dell'universo.

Prime stelle Il telescopio osserverà la formazione delle prime stelle e galassie.

Altri mondi Un altro obiettivo è lo studio della formazione di sistemi planetari simili al nostro.

Sistema solare Continuerà la ricerca della vita, nel nostro Sistema solare e oltre.

Le dimensioni del telescopio James Webb durante il lancio (che avverrà a bordo del vettore europeo Ariane 5) e dopo la sua apertura.

A quali altri progetti sta lavorando?
Ad alcune guide satellitari per l'osservazione delle stelle (star guides) e a sistemi per oscurare le stelle (star shades). Il primo progetto riguarda il fatto che i telescopi terrestri sono limitati nella qualità dell'immagine dalle turbolenze dell'atmosfera. Gli astronomi hanno inventato sistemi di ottica adattiva per compensare questi effetti, ma questa tecnica non funziona ancora abbastanza bene: per migliorarla, si potrebbe utilizzare un raggio laser prodotto da un satellite per creare un punto luminoso nel cielo, che serva da riferimento per gli strumenti.

Il progetto Starshade è molto più ambizioso: consiste nell'inserire in orbita un satellite capace di proiettare la sua ombra su un telescopio posto sulla Terra, in modo da oscurare una specifica stella, consentendoci di osservare i piccoli pianeti che le orbitano attorno.

Secondo lei, sulla base delle osservazioni effettuate finora, l'universo che cosa ci sta "dicendo"? Che storia ci sta raccontando?
Innanzitutto, che siamo molto lontani dai nostri "vicini di casa", perché lo spazio è molto grande e molto vuoto. Quindi eccoci qui, nel nostro piccolo pianetino, in un grande Sistema solare. E i sistemi planetari sono molto lontani gli uni dagli altri. Il più vicino è a circa 40 mila miliardi di chilometri di distanza, e non possiamo arrivarci nel corso della nostra vita. Perfino con mille vite non potremmo raggiungere un posto del genere. Quindi siamo soli, ed è affascinante imparare la nostra storia passata e pensare al nostro futuro.

Glossario

Lunghezza d'onda. È la distanza tra due creste successive. Si può visualizzare facilmente nelle onde del mare; ma la stessa definizione vale per onde di natura diversa, come quelle elettromagnetiche. La luce visibile, in particolare, è un'onda elettromagnetica con lunghezza compresa tra 0,4 e 0,7 micron (un micron è un millesimo di mm), che corrispondono rispettivamente al rosso e al violetto.

Infrarossi. I raggi infrarossi sono quelli con lunghezza d'onda superiore a 0,7 micron (fino a 1 millimetro). Dunque sono invisibili all'occhio umano; ma possono essere rilevati da opportuni sensori.

Buco nero. È la stella più compatta che si possa concepire. Nei suoi dintorni la gravità è talmente intensa che nemmeno la luce può sfuggire alla sua attrazione gravitazionale, all'interno di una regione detta "orizzonte degli eventi".

Materia oscura. È una presunta forma di materia che i telescopi non riescono a osservare, ma di cui si presuppone la presenza sulla base dell'attrazione gravitazionale che esercita sulle altre stelle.

Plasma. Il plasma è uno stato della materia costituito da particelle elettricamente cariche come elettroni e nuclei atomici. Le stelle normali sono composte di plasma.

Ottica adattiva. È un tipo di ottica avanzata che consente ai telescopi di correggere la distorsione delle immagini dovuta alle turbolenze dell'atmosfera per mezzo di specchi deformabili.

Uno degli argomenti più dibattuti è la materia oscura, che è invisibile anche se ne osserviamo gli effetti gravitazionali. È possibile che le prime galassie si siano aggregate attorno a nuclei di materia oscura?
Ci piacerebbe vedere com'è andata davvero. Sappiamo che la materia oscura esiste, e abbiamo simulazioni che mostrano come pensiamo che si siano accresciute le prime galassie. Adesso dobbiamo vedere, però, se le simulazioni corrispondono al vero.


Oltre a questo, quali sono gli altri obiettivi strategici della Nasa e, più in generale, dell'esplorazione spaziale?
La Nasa è molto interessata a tutti i tipi di scienza. Abbiamo l'eliofisica, che è lo studio del Sole e del plasma che produce (la Terra è costantemente bombardata dal plasma del Sole). Finora abbiamo esplorato i pianeti con i robot e abbiamo raggiunto anche asteroidi, comete e il pianeta nano Plutone: siamo interessati a tutti questi oggetti. Siamo interessati all'astrofisica, che è la mia specialità. Ma anche allo studio della Terra: la osserviamo di continuo, e continuiamo a costruire strumenti nuovi e migliori per capire il meteo, il clima, l'atmosfera, la circolazione degli oceani. Abbiamo perfino missioni che misurano il cambiamento della forma della Terra, dovuto al moto dell'acqua, e possiamo arrivare a misurare la gravità dell'acqua in movimento dallo spazio: è importante, perché l'acqua influenza la vita umana in modo molto diretto.

25 dicembre 2021 Andrea Parlangeli
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