(immagini E.S.A. su Herschel)
IL PROGETTO HI-GAL ED IL SATELLITE HERSCHEL: SUCCESSO DEL LAVORO SCIENTIFICO ITALIANO.
(di Marcello Grotta)
30 Aprile 2015
Herschel è un telescopio spaziale messo in orbita da ESA nel 2009 in grado di acquisire immagini nel lontano infrarosso. Il progetto HIGAL utilizza oggi Herschel per effettuare una scansione completa del piano galattico. I dati così ricavati verranno utilizzati per studiare la dinamica della formazione stellare ed il ciclo di vita dei corpi celesti.
HI-GAL è un progetto a guida italiana che coordina più di 130 ricercatori in tutto il mondo, l’impegno Italiano vede in primafila l’INAF, con l’Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario e gli Osservatori Astrofisici di Arcetri e Catania, i Dipartimenti di Fisica delle Università di Roma La Sapienza e Tor Vergata, e dell’Università del Salento di Lecce, fondamentale è il supporto dell’Agenzia Spaziale Italiana, grazie anche ai giovani ricercatori che sono stati e saranno fondamentali per il successo del progetto: A. Traficante, E. Schisano, M. Veneziani, M. Pestalozzi, D. Elia, N. Giordano, oltre al contributo di Paolo Saraceno fisico sperimentale, esperto in studi di formazione stellare che ha coordinato lo sforzo italiano per la realizzazione di strumenti per i satelliti Infrared Space Observatory ed Herschel e Anna Maria Di Giorgio, ricercatrice dell’Istituto di fisica dello spazio interplanetario di Roma, esperta di strumentazione spaziale che ha collaborato alla progettazione e alla realizzazione degli strumenti di Herschel, di cui oggi coordina le attività italiane per la fase operativa.
Il satellite Herschel, lanciato dallo spazioporto di Kourou (Guyana Francese) il 14 maggio 2009, gioiello tecnologico costruito dall’Esa e con un contributo dalla Nasa, è ora in piena fase operativa ruota intorno al punto Lagrangiano L2 situato a 1,5 milioni di chilometri da noi (circa 4 volte più della distanza Terra-Luna) lungo la direttrice Sole-Terra, in cui il potenziale gravitazionale del sistema Sole-Terra-Luna sono bilanciate dalla forza centrifuga del moto orbitale grazie al quale è possibile mantenere in orbita un satellite con un minimo consumo di carburante. Herschel percorre quindi un’orbita di circa 700.000 chilometri sempre attorno al punto L2 in 178 giorni, e ha sempre Terra e Sole, le principali sorgenti di radiazione, sotto lo stesso angolo di vista.
Herschel, inoltre, con i suoi 3,5 metri di diametro è il più grande telescopio spaziale mai lanciato. I tre strumenti al piano focale, alla cui costruzione l’Italia ha attivamente partecipato con l’Istituto Nazionale di Astrofisica e grazie al finanziamento dell’Agenzia Spaziale Italiana, permettono l’acquisizione di immagini fotometriche e spettroscopiche in un intervallo spettrale compreso fra i 60 ed i 600 m con risoluzioni spaziali che per la parte fotometrica sono superiori di un fattore fra 4 e 100 (dipendendo dalla lunghezza d’onda) rispetto a satelliti come IRAS, COBE e Spitzer. È questo un intervallo spettrale cruciale per lo studio della materia fredda nell’Universo, che permette la rivelazione e lo studio della polvere a temperature comprese fra 10 e 50 Kelvin in una serie di contesti astrofisici che vanno dalle galassie ad alto z fino alle nubi interstellari nelle vicinanze del Sole.
Herschel è dedicato all’esecuzione di progetti osservativi di grande respiro; uno fra i più importanti di questi progetti, a leadership italiana, è il progetto Hi-Gal (Herschel infrared Galactic Plane Survey) che porterà a termine la mappa del piano equatoriale della Via Lattea in 5 lunghezze d’onda fra 60 e 600 micron, una misurazione che poteva essere eseguita soltanto da un telescopio di grande diametro. E questa stata proprio l’idea che ha ispirato la missione Herschel.
L’obbiettivo degli astronomi è quello di cercare galassie che si trovano a grandi distanze dalla Terra e con età differenti, in modo da ricostruire la storia dell’universo. All’inizio, per questa ricerca vennero usati telescopi ottici sia da terra sia dallo spazio perché ci si aspettava di osservare l’evoluzione delle galassie più antiche nelle bande del visibile (si sapeva che quegli oggetti sono luminosi) e si pensava che non ci sarebbe stata abbastanza polvere da oscurarle.
Ma queste galassie antiche non furono trovate, e così nacque il problema delle galassie mancanti, che è stato risolto alla fine degli anni novanta dal predecessore di Herschel, l’Infrared Space Observatory (IS0), satellite per osservazioni nell’infrarosso dell’Agenzia spaziale europea lanciato nel 1995, e dai telescopi millimetrici da Terra che hanno scoperto galassie iperluminose nell’infrarosso, invisibili nell’ottico e osservabili con qualche difficoltà nelle bande millimetriche. In questo modo è stato possibile risolvere quasi completamente nell’infrarosso oggetti relativamente deboli e molto lontani che non sono osservabili nell’ottico, neanche dal potente telescopio spaziale Hubble.
Grazie all’analisi della radiazione infrarossa, l’osservatorio spaziale Herschel studia la nascita delle stelle e le galassie più antiche con una definizione senza precedenti, attraverso i cosiddetti key-project, programmi osservativi di ampio respiro che affrontano in modo globale tematiche di particolare rilevanza scientifica con una missione cornerstone della European Space Agency, l’Agenzia spaziale europea, realizzata per studiare l’universo nelle frequenze dell’infrarosso e del submillimetrico. A bordo c’è un telescopio con uno specchio di 3,5 metri di diametro e tre strumenti che usano rivelatori raffreddati a –273,15 gradi Celsius, cioè a una temperatura vicina allo zero assoluto.
Herschel è stato lanciato il 14 maggio 2009 con un razzo Ariane5 dalla base di Kourou, nella Guyana Francese, insieme al satellite Planck. Dopo un viaggio di circa 50 giorni ha raggiunto il punto lagrangiano 2, indicato con la sigla L2, a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, da dove trasmette dati di straordinaria qualità. A oltre due anni dal lancio, Herschel sta fornendo risultati straordinari in campi che vanno dallo studio degli oggetti più remoti del sistema solare ai primi stadi della formazione stellare, dall’evoluzione delle galassie ai processi chimici che avvengono nel mezzo interstellare.
La scala delle temperature segue quella dei colori dell’arcobaleno: gli oggetti più caldi emettono nel blu, quelli più freddi nel rosso, quelli ancora più freddi nell’infrarosso,ovvero nella radiazione non visibile scoperta da Herschel.
In fisica, il rapporto tra temperatura e colore è regolato dalla legge di Wien, che stabilisce la lunghezza d’onda a cui un corpo emette il massimo d’energia. Per esempio una stella a 6000 kelvin, come il Sole, emette il massimo della sua energia alla lunghezza d’onda di 0,5 micrometri, che corrisponde al colore verde della luce visibile; il corpo umano a 37 gradi Celsius emette il massimo d’energia a 10 micrometri, ovvero nell’infrarosso, e questo spiega l’interesse dei militari per questa banda di radiazione. Nell’infrarosso emettono oggetti con temperature che vanno da 3000 kelvin sino a temperature vicine allo zero assoluto (–273 gradi Celsius), quindi stelle come le giganti rosse e oggetti freddi come le nubi di polvere interstellare, i pianeti, le comete e gli asteroidi. C’è una seconda proprietà che rende l’infrarosso prezioso per l’astronomia, ed è il fenomeno della diffusione della luce, un fenomeno risonante per cui una radiazione è diffusa in direzioni diverse rispetto a quella d’origine quando incontra un ostacolo di dimensioni confrontabili con quelle della sua lunghezza d’onda. Questo è il fenomeno che rende i tramonti rossi, perché nell’atmosfera terrestre i diffusori della luce sono atomi con dimensioni vicine alla lunghezze d’onda del colore «blu», che quindi è diffuso più del rosso, che invece attraversa l’atmosfera quando il Sole è al tramonto. Lo stesso fenomeno avviene nello spazio interstellare, perché anche in quel caso i diffusori sono ancora atomi e quindi il rosso attraversa le nubi interstellari meglio del blu; l’infrarosso e il radio penetrano ancora di più. Per questo motivo, oggetti celesti come le stelle in formazione e le galassie più antiche, che producono enormi quantità d’energia, ma sono immerse in nubi di gas e polvere, hanno il loro massimo di emissione a lunghezze d’onda superiori ai 100 micrometri.
L’osservatorio spaziale Herschel dell’Agenzia spaziale europea studia l’universo nelle frequenze dell’infrarosso e del sub millimetrico con una risoluzione mai raggiunta e sta inviando dati fondamentali per la nostra conoscenza del cosmo. Solo nell’infrarosso infatti è possibile studiare i processi che portano alla nascita delle stelle, che sono oscurate dalla polvere da cui si formano, e delle galassie più antiche. Herschel può vantare alcuni primati tecnologici, tra cui quello riguardo i suoi rivelatori, gli oggetti più freddi dell’universo, e quello dello specchio primario, il più grande in orbita.
A bordo c’è un telescopio Cassegrain con uno specchio primario da 3,5 metri di diametro, il più grande in orbita e anche il più grande specchio che può essere trasportato con i razzi attualmente disponibili. Per massimizzare le dimensioni dello specchio si è anche deciso di non mettere il telescopio in un sistema criogenico, ma di raffreddarlo per irraggiamento (lo spazio è freddo), raggiungendo temperature di circa 85 kelvin (–198 gradi Celsius). Si è stimato, infatti, che a queste temperature il rumore dovuto all’emissione termica dello specchio era uguale al rumore di confusione. Uno specchio più freddo non avrebbe dato grandi vantaggi nelle misure fotometriche, soprattutto se per metterlo in un contenitore criogenico si fosse ridotto il suo diametro aumentando così il rumore di confusione.
Herschel è alto 7,5 metri e largo 4, per un peso di 3,3 tonnellate. Nella parte superiore è alloggiato il telescopio, con lo specchio primario realizzato in carburo di silicio, una ceramica con straordinarie qualità ottiche, termiche e soprattutto di leggerezza; il suo peso è di soli 300 chilogrammi, contro i 900 chilogrammi dello specchio di 2,4 metri del telescopio spaziale Hubble. Sotto lo specchio c’è il grande criostato che contiene i tre strumenti al piano focale raffreddati a circa 8 kelvin (–265 gradi Celsius) per ridurne l’emissione termica. Al loro interno, i rivelatori sono raffreddati ad alcuni decimi di kelvin per massimizzarne la sensibilità. Attualmente questi rivelatori, insieme a quelli del satellite Planck, sono gli oggetti più freddi dell’universo.
I tre strumenti di Herschel operano a lunghezze d’onda comprese tra 57 e 671 micrometri. Con due di essi, SPIRE e PACS, è possibile ottenere immagini fotometriche con sensori simili a quelli delle macchine fotografiche digitali commerciali, ma con sensibilità molto più grandi e nell’infrarosso. Le immagini sono registrate alla massima risoluzione spaziale compatibile con il diametro del telescopio (da 5 secondi d’arco a 60 micrometri a 35 secondi d’arco a 500 micrometri). HIFI, il terzo strumento di Herschel, è dedicato alla spettroscopia ad altissima risoluzione spettrale. La realizzazione di questi tre strumenti ha richiesto decenni di lavoro dei migliori istituti di ricerca europei e statunitensi e un investimento di circa 300 milioni di euro.
L’Italia ha dato un contributo di primaria importanza alla realizzazione della missione Herschel, grazie alle industrie e agli istituti di ricerca da anni all’avanguardia nella tecnologia spaziale. Gli istituti hanno anche contribuito alla definizione delle osservazioni e all’analisi dei risultati.
L’intelligenza dei tre strumenti scientifici è tutta italiana: i sistemi elettronici sono stati costruiti dalla Carlo Gavazzi Space di Milano, e il software di bordo, vale a dire il cervello degli strumenti, è stato sviluppato dall’Istituto di fisica dello spazio interplanetario di Roma, una delle strutture dell’Istituto nazionale di astrofisica più accreditate a livello internazionale per la costruzione di strumentazione spaziale. L’Istituto di fisica dello spazio interplanetario ha anche coordinato l’impegno tecnico scientifico italiano per l’intera missione. Un contributo importante è stato anche dato dall’Osservatorio di Arcetri, che assieme alla Galileo Avionica (ora SELEX Galileo) di Firenze ha realizzato il filtro acusto-ottico dello strumento HIFI che amplifica i segnali provenienti dalle sorgenti astronomiche e li converte in segnali luminosi rilevabili con sensori ottici simili ai CCD delle macchine fotografiche. Un ulteriore contributo degli istituti di ricerca è dato dall’Università di Padova, dall’Osservatorio di Arcetri, dall’Osservatorio di Trieste e sempre dall’Istituto di fisica dello spazio interplanetario, per le attività di controllo degli strumenti scientifici presso i tre centri europei di controllo degli strumenti. La Thales Alenia Space Italia di Torino ha contribuito alla realizzazione del satellite costruendo il modulo di servizio che è l’interfaccia tra il satellite e il razzo. Il modulo contiene il dispositivo di controllo d’assetto orbitale, i sistemi di alimentazione, di telemetria e di controllo termico del satellite e degli strumenti scientifici. La Thales Alenia Space di Torino e la SELEX Galileo hanno costruito i due Star Tracker che misurano l’assetto del satellite, mentre la Thales Alenia Space di Milano ha realizzato i sensori usati dal sistema di controllo orbitale. Infine la SELEX Italia di Milano ha fornito i pannelli solari che producono tutta l’energia usata dal telescopio. La nuova avventura scientifica nell’astronomia infrarossa ha dunque solide basi tecnologiche made in Italy.
(foto E.S.A. su Herschel)
