Sono ormai trascorsi più di trentasei anni da quando lo Space Shuttle Discovery rilasciò in orbita terrestre bassa il telescopio spaziale Hubble (HST), facendolo diventare da quel momento uno dei principali artefici di scoperte e osservazioni di rilievo in ambito astrofisico. Nonostante la veneranda età, HST è ancora oggi in grado di produrre dati scientifici fondamentali, anche grazie alle missioni di aggiornamento effettuate nel corso del tempo, l’ultima delle quali nel 2009. La comunità astronomica però, non è rimasta ferma e in questi trent’anni ha sviluppato e ideato alcune missioni che dovranno prendere il posto di Hubble una volta che questo verrà ritirato dal servizio: tra tutte è stata scelta Wide Field Infrared Space Telescope (WFIRST), rinominata in seguito Nancy Grace Roman Space Telescope (NG).
Il lancio è avvenuto alle 13:26 italiane del 30 agosto a bordo di un Falcon Heavy di SpaceX dal complesso di lancio 39A in Florida. I due booster laterali sono atterrati in due distinte piazzole situate nello spazioporto, mentre per quello centrale non era previsto il recupero.
Il secondo stadio ha invece portato l’osservatorio fuori dall’atmosfera e verso il punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Sole, a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra e in verso opposto al Sole. Da questa privilegiata posizione avrà la possibilità di studiare l’Universo senza interferenze elettromagnetiche e con un consumo minimo di carburante. L’arrivo alla destinazione finale è previsto in circa tre mesi, mentre la missione principale durerà cinque anni: il carburante a disposizione, tuttavia, dovrebbe essere necessario per altri cinque anni.
In questo articolo copriremo solamente la parte della strumentazione di Nancy Grace, mentre un altro sarà dedicato alla missione scientifica vera e propria. Prima di entrare nei dettagli, è opportuno dedicare un momento a Nancy Grace Roman, l’astronoma a cui è dedicato il telescopio e conosciuta anche come la mamma dell’Hubble Space Telescope, nonché una delle prime donne ad entrare nella NASA, l’Agenzia spaziale statunitense.
Nancy Grace Roman, l’astronoma
Roman nacque a Nashville, in Tennessee, il 16 maggio 1925 e fin dai primi anni di età fu intressata particolarmente all’astronomia, fondando con i suoi compagni di classe un gruppo a tema, all’interno del quale venivano studiate le costellazioni e gli oggetti celesti tramite alcuni libri. Va ricordato che le conoscenze sull’Universo erano molto diverse da oggi: il modello del Big Bang non era stato ancora formulato e avrebbe incontrato difficoltà nell’accettazione fino agli anni Sessanta. E fino al 1929 si pensava inoltre che l’intero Universo fosse contenuto nella Via Lattea. Fu in quell’anno che Edwin Hubble, osservando una Cefeide (una stella variabile con periodo noto) e calcolandone la distanza, concluse che dovesse trovarsi ad una distanza ben superiore anche alle stime più ottimistiche sulle dimensioni della Via Lattea, rendendo quindi necessario considerare l’Universo più grande.
La forte passione per l’astronomia indusse Roman a frequentare un programma di studi accelerato, diplomandosi in tre anni alla Western High School di Baltimora, nel Maryland. Nel 1946 completò gli studi triennali, durante i quali aveva lavorato allo Sproul Observatory, e nel 1949 completò il suo dottorato di ricerca all’Università di Chicago, dove rimase a lavorare allo Yerkes Observatory per sei anni. Nel corso della permanenza a Chicago ottenne una rilevanza all’interno della comunità astronomica grazie alle osservazioni di AG Draconis, che mostrava uno spettro in emissione completamente diverso rispetto alle osservazioni precedenti. AG Draconis è un sistema binario interagente formato da una gigante arancione e una nana bianca, e deve la sua variabilità nel trasferimento di massa dall’atmosfera della prima alla seconda, dovuta agli effetti del campo magnetico e delle maree.
Roman lasciò l’Università di Chicago anche per le difficoltà nel progredire professionalmente: era ostacolata da molte persone in quanto donna e si trasferì al Naval Research Laboratory dal 1955 al 1959, lavorando nel neonato campo della radioastronomia e diventando capa della sezione di spettroscopia a microonde.
L’ingresso in NASA avvenne quasi per caso. Il direttore del Goddard Space Flight Center Jack Clark era alla ricerca di persone interessate a creare un programma di astronomia dallo spazio e chiese a Roman se avesse conoscenze in merito. Lei però confuse la richiesta con un invito ad unirsi al team: venne assunta appena sei mesi dopo la fondazione dell’Agenzia spaziale statunitense, diventandone la prima direttrice esecutiva e la prima Responsabile dell’Astronomia (Chief of Astronomy). Nel corso della carriera assunse anche altri ruoli, come quello di capo dell’astronomia e della fisica solare (Chief of Astronomy and Solar Physics) o quello di capo dell’Astronomia e della Relatività (Chief of Astronomy and Relativity).
Tra le mansioni che Roman aveva da assolvere vi era la programmazione di un programma di lancio di razzi e di satelliti: in questa veste si presentò al Congresso degli Stati Uniti d’America per chiedere l’approvazione del telescopio spaziale Hubble, ricevendo così, per la difesa del programma, il soprannome di mamma di HST.
La dedica del telescopio WFIRST avvenne nel maggio 2020, un anno e mezzo dopo la morte di Roman, avvenuta il 25 dicembre 2018.
Nancy Grace Roman, il telescopio
Il progetto di WFIRST venne presentato nel report finale del National Academy of Sciences Decadal Survey for Astronomy del 2010, una riunione periodica della comunità astronomica statunitense con il compito di revisionare la letteratura prodotta negli ultimi dieci anni e di proporre obiettivi, missioni e studi per i successivi dieci. Nel corso dei successivi otto anni il team scientifico ed ingegneristico della missione, coadiuvato da personale di NASA, lavorò per definire più concretamente il design e i requisiti degli strumenti da installare sul telescopio. Nel 2018 Ball Aerospace vinse il contratto per la costruzione dello strumento principale del telescopio.
Dal 2021, quando la missione ha passato la Critical Design Review, lo sviluppo è proceduto molto velocemente, nonostante problematiche nell’approvigionamento dei materiali e situazioni esterne, tanto da partire con quasi un anno di anticipo. Inizialmente il lancio era infatti previsto non oltre maggio 2027.
Strumenti
Il telescopio dispone di due strumenti: il Wide Field Instrument (WFI) e un coronografo. Il primo è a sua volta composto da due elmenti: il Cold Sensing Module (CSM) e il Warm Electronics Module (WEM).
Wide Field instrument
Con Wide Field Instrument ci si riferisce ad una fotocamera da 300 Mpx che permetterà a Nancy Grace di avere un campo visivo 200 volte più grande di quello di Hubble e 100 volte per le immagini ottenute con la Advanced Camera for Surveys. Per dare un termine di paragone, ogni immagine acquisita sarà più grande della dimensione apparente della Luna piena. Nancy Grace fotograferà nei suoi primi cinque anni di vita un’area 50 volte più grande di quella coperta da Hubble nei primi 30 e raccoglierà 500 volte più velocemente i dati scientifici rispetto a Hubble.
Altre considerazioni tecniche, tra cui la stabilità termica garantita dall’orbita attorno al secondo punto lagrangiano L2, permettono di concludere che sarà Nancy Grace il vero successore di Hubble, piuttosto che il James Webb: Jeff Kurk, il project scientist della missione, ha affermato nel 2019 che «sarebbe possibile fare quasi tutte le analisi e osservazioni di WFIRST [oggi Nancy Grace, ndt] con Hubble, impiegando però un migliaio di anni. E non vogliamo aspettare così tanto».
WFI osserverà nel dominio degli infrarossi, potendo quindi studiare fenomeni e sistemi che solitamente non sono accessibili alle lunghezze d’onda del visibile a causa della presenza di spessi strati di polvere. Le osservazioni non si limiteranno però solo al centro della Via Lattea o a sistemi planetari attorno a stelle diverse dalla nostra, ma anche a galassie a distanze elevate, che rendono necessario l’impiego di strumentazione nell’infrarosso per compensare lo spostamento verso lunghezze d’onda maggiori (redshift) della luce emessa a causa dell’espansione dell’Universo. Verranno inoltre compiute osservazioni di lensing gravitazionale, un fenomeno causato dalla presenza di oggetti massivi che comporta una deviazione del percorso della luce e un ingrandimento della sorgente sullo sfondo.
Questo tipo di osservazioni sono cruciali per lo studio della materia oscura e dell’energia oscura, che rappresentano ad oggi il 95% circa del contenuto dell’Universo e di cui sappiamo veramente poco. Nancy Grace non sarà comunque la prima missione che avrà questo scopo: a luglio 2023 è stato lanciato Euclid, un telescopio spaziale dell’agenzia spaziale europea (ESA) che ha proprio come obiettivo lo studio della materia oscura attraverso il fenomeno del lensing gravitazionale.
Con WFI verranno condotte tutte le survey astronomiche della missione di Nancy Grace: lo strumento è composto da 18 rilevatori costituiti da milioni di fotodiodi, a loro volta risultato di una combinazione di mercurio, cadmio e tellurite (uno ione del tellurio). I tre elementi sono stati scelti perché variando la quantità di cadmio è possibile selezionare una specifica lunghezza d’onda massima osservabile, permettendo agli scienziati di concentrarsi su quelle di maggior interesse astrofisico. La costruzione vera e propria dei rilevatori è avvenuta presso la Teledyne Imaging Sensors a Camarillo, in California, e ha richiesto, come per tutti gli strumenti astronomici, un elevato grado di precisione: ogni singolo pixel del sensore è stato infatti incollato al rilevatori usando una minuscola goccia di indio, posizionata a 10 micrometri l’una dall’altra.
Prima di arrivare ai rilevatori, la luce passerà attraverso uno degli otto filtri di cui lo strumento è dotato: sono montati sopra una struttura in grado di ruotare e selezionare quindi quello appropriato. Saranno anche utilizzati prismi e grismi (una particolare struttura che combina un prisma e un reticolo di diffrazione), in grado di separare la luce nelle diverse lunghezze d’onda, creando così lo spettro della sorgente analizzata.
In modo simile al James Webb, anche i rilevatori del Nancy Grace necessiteranno di essere raffreddati: il calore del telescopio viene emesso come radiazione infrarossa, e potrebbe quindi contaminare i dati raccolti durante le osservazioni scientifiche. Grazie a una serie di radiatori il calore sarà dissipato nello spazio, e i rilevatori potranno rimanere alla temperatura operativa di -178℃.
L’assemblaggio del WFI è terminato nel settembre 2023, dopo un anno di lavori, e sottoposto a un’estesa di campagna di test. È stato consegnato al Goddard Space Flight Center nell’agosto 2024.
A dimostrazione del fatto che il lancio del telescopio è stato segnato da avanzamenti rapidissimi, il Simplified Relative Calibration System (sRCS) è stato riprogettato in un anno e mezzo, quando solitamente ne servono molti di più. Inizialmente era prevista una versione diversa di sRCS: per fare però in modo che fosse pronto in tempo e soprattutto rispettasse gli elevati standard imposti dalla missione, un team del Goddard Space Flight Center ha riprogettato l’intero strumento, riutilizzando anche alcuni componenti del design precedente.
Con sRCS, come suggerisce il nome, gli scienziati avranno modo di analizzare come i detector rispondono alla luce in arrivo: sfruttando 24 LED in sei diverse lunghezze d’onda sarà possibile avere un riferimento assoluto e noto. La precisione raggiunta dai detector grazie alla calibrazione sarà elevatissima: misureranno la luminosità relativa degli oggetti cosmici con un’accuratezza dello 0,1% anche quando uno è 100.000 volte più luminoso dell’altro.
Coronografo
Il coronografo del Nancy Grace è l’altro strumento principale della missione: si tratta di un sistema di maschere, prismi, rilevatori e specchi auto regolanti, con lo scopo di bloccare la luce proveniente da una stella per osservare direttamente dei pianeti intorno a essa. Secondo la NASA sarà anche il più potente coronografo mai costruito: le stime dell’Agenzia sostengono tra le 100 e le 1.000 volte più potente. In questo modo sarà in grado di osservare pianeti simili a Giove, sia nelle dimensioni che e nella distanza dalla stella attorno a cui ruotano. Bloccare la luce della stella infatti non impedisce al pianeta di rifletterla o di emettere radiazione lui stesso: dall’analisi degli spettri è possibile ricostruire la composizione chimica dell’eventuale atmosfera e migliorare i modelli per la ricerca della vita al di fuori della Terra.
In verità, il coronografo sarà un dimostratore tecnologico la cui missione durerà 18 mesi, al termine dei quali potrà essere messo a disposizione della comunità astronomica mondiale.
Le componenti principali saranno i due specchi flessibili, mossi in tempo reale da migliaia di attuatori per compensare piccoli errori e cambiamenti nell’ottica del telescopio: secondo la NASA dovrebbero essere in grado di correggere errori più piccoli della larghezza di un filamento di DNA (2 nanometri o millesimi di millimetro), nonostante siano di soli 5 cm di diametro. Assieme agli specchi opereranno anche due speciali maschere, che sopprimeranno la diffrazione della luce, prodotta dall’interazione con i bordi di alcuni elementi all’interno del coronografo.
Il Coronografo è composto da due sezioni principali, assemblate una sopra l’altra: il banco ottico e il pannello elettronico dello strumento. Il primo è la parte più delicata, che contiene 64 elementi diversi, tra specchi e filtri, mentre il secondo ospita l’elettronica per gestire lo strumento e i dati scientifici prodotti. Dal momento che era necessario un allineamento perfetto tra le due componenti, l’assemblaggio è durato quattro giorni, durante i quali i team hanno utilizzato dei laser per massimizzare la precisione.
Nonostante le premesse e le significative innovazioni tecnologiche previste con lo strumento, potrà servire anche un mese per osservare dettagliatamente un pianeta: per fare questo i rilevatori di cui è provvisto raccoglieranno i singoli fotoni in arrivo dal pianeta, anziché contarli a gruppi. Effettuare una misura di tale precisione richiede però che gli impulsi elettrici necessari per alimentare le componenti del telescopio non interferiscano con le letture dei detector: la corrente può infatti produrre deboli segnali elettrici e quindi produrre dati spuri. A differenza dei detector di WFI, il Coronografo opererà a temperatura ambiente, per cui dovrà essere isolato dallo spazio esterno, estremamente freddo.
L’integrazione completa del Coronografo è avvenuta nell’ottobre 2024: è stato montato sull’Instrument Carrier, una struttura a griglia situata tra lo specchio primario del telescopio e la piattaforma della sonda. Come suggerisce il nome, l’Instrument Carrier ospita anche WFI, integrato in un secondo momento. Per montare il Coronografo è stato utilizzato uno speciale strumento, chiamato Horizontal Integration Tool, già utilizzato nell’assemblaggio di Hubble e del James Webb Space Telescope.
Gli altri componenti
Per operare correttamente il Nancy Grace avrà bisogno di altri elementi accessori, come la Deployable Aperture Cover (DAC): si tratta di una specie di visiera, da aprire una volta in orbtia. La DAC è costituita da due strati isolanti, separati da circa 2,5cm: lo scopo di questo spazio è migliorare l’isolamento e impedire che la luce possa passare e entrare all’interno delle ottiche anche nel caso di impatti con micrometeoriti. È ritenuto poco probabile che la luce possa passare esattamente dai due fori creati nell’impatto
A differenza di Hubble, che possiede uno specchio primario da 2,4 m e uno secondario da 30 cm, Nancy Grace dispone di 10 specchi totali: uno principale, della stessa grandezza di quello di Hubble, e altri nove più piccoli. L’intero sistema ottico è arrivato negli stabilimenti della NASA il 7 novembre 2024 ed è stato costruito, progettato e modificato da L3Harris a partire da elementi provenienti dal National Reconnaissance Office (NRO), un’agenzia di spionaggio degli Stati Uniti. Inizialmente infatti, lo specchio era stato pensato per un satellite spia gestito proprio dal NRO.
Nonostante sia delle stesse dimensioni dello specchio di Hubble, quello del Nancy Grace pesa circa un quarto: 186 kg, principalmente grazie a migliorie nelle tecnologie costruttive. È rivestito di uno strato sottilissimo di argento, ottimale per il dominio infrarosso.
Breve cronistoria dei test e delle milestone
Lo specchio principale è stato completato nel settembre 2020, mentre i detector per WFI sono stati certificati per il volo nel giugno 2021. La costruzione del Coronografo è iniziata nel dicembre 2022.
Nell’ottobre 2024 l’Outer Barrel Assembly è stato testato: si tratta della struttura che manterrà la temperatura di Nancy Grace stabile e lo proteggerà dalla luce non voluta che entra nelle ottiche. La particolarità del test non è tanto l’accelerazione raggiunta dalle componenti, sette volte l’accelerazione di gravità terrestre, quanto il fatto che per via delle dimensioni è stato necessario separarla in due pezzi da testare separatamente. È infatti alta cinque metri e larga quattro.
Prima è stata testata l’elephant stand, il nome tecnico per la struttura situata intorno ai due strumenti di Nancy Grace e che connette la porzione superiore dell’Outer Barrell Assembly con il bus. Per simulare la massa mancante della seconda parte sono stati installati dei pesi. È seguita poi la shell stand, che prima del lancio sarà dotata di alcuni riscaldatori in grado di mantenere la temperatura degli specchi entro determinati limiti per ridurre al minimo le deformazioni nei materiali. Ad aiutare questi riscaldatori interverrà la struttura stessa dell’Outer Barrell Assembly, costituita principalmente da due tipi di fibra di carbonio mischiate con della plastica rinforzata e collegate con raccordi terminali in titanio: la scelta di questi materiali permette di unire la resistenza alla leggerezza.
Per gli specchi i test, come per tutte le missioni spaziali, sono stati estremamente rigorosi: sono durati diversi mesi, durante i quali per ogni elemento si è verificata la tenuta termica, la resistenza alle vibrazioni e agli stress meccanici nel giorno del lancio, e la quantità di gas rilasciata nella fase di passaggio dall’ambiente terrestre a quello spaziale.
Il processo di allineamento dell’intero banco ottico è durato oltre un mese: sette specchi sono stati fissati permanentemente, mentre altri tre sono dotati di attuatori che possono modificarne la posizione: una volta che Nancy Grace sarà in orbita, verranno attivati per sistemare ulteriormente l’allineamento degli specchi.
L’osservatorio ha ricevuto i due strumenti e il telescopio tra dicembre 2024 e gennaio 2025: come già detto, al Coronografo è seguito l’Optical Telescope Assembly e infine il Wide Field Instrument. A febbraio la Deployable Aperture Cover e l’Outer Barrel Assembly sono stati uniti e nuovamente testati, dopo che avevano passato le verifiche individuali. Per la DAC, progettata per essere aperta nello spazio, è anche stato utilizzato un sistema di leve per eliminare la presenza della gravità terrestre: se non fosse stato utilizzato, i tre bracci che aprono la visiera non sarebbero stati sufficientemente forti per compiere il lavoro. Sempre per via delle dimensioni significative dell’osservatorio, è stato separato in due porzioni e così testato: prima, ad aprile 2025, è toccato alla parte costituita dall’Outer Barrel Assembly, la Deployable Aperture Cover e dei pannelli fotovoltaici di test (chiamata anche porzione interna), mentre a maggio la struttura della sonda e gli strumenti (nota come porzione esterna), è stata sottoposta ai test vibrazionali, passati con successo a novembre 2025. Completati i test, sono stati installati i pannelli fotovoltaici che verranno utilizzati nella missione.
A luglio 2025 è stato il turno dei due sunshield, sostanzialmente due pannelli fotovoltaici senza le celle con lo scopo di proteggere gli strumenti dalla luce solare. Misurano 2,1 m x 2,1 m e sono spessi 7,6 cm e sono composti da sottilissimi fogli di metallo e una porzione centrale a nido d’ape: in questo modo risultano resistenti ma leggeri, limitando anche la trasmissione del calore anche grazie all’utilizzo di uno speciale polimero. Sul lato esposto al Sole sono stati depositati 17 strati di rivestimento, dal momento che le temperature supereranno di poco i 100℃, mentre in quello nascosto, dove saranno raggiunti i -135℃, uno solo. Questo elemento sarà il primo a essere dispiegato una volta in orbita, un’ora dopo il lancio: impiegherà in tutto due minuti per raggiungere la posizione finale.
Durante l’autunno del 2025 sono poi stati completati i test sulla porzione interna e esterna, di fatto portando al completamento dell’intero telescopio: le due sezioni sono state poi unite alla fine di novembre 2025 e testate un’ultima volta a marzo 2026. Da quel momento il Nancy Grace è stato trasportato verso il Kennedy Space Center, dove è iniziata l’integrazione con il secondo stadio del Falcon Heavy.
