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WFIRST volerà per primo?

Rendering realistico del telescopio WFIRST, basato sull'attuale stato del progetto (inizio fase B, luglio 2018)
Rendering realistico del telescopio WFIRST, basato sull'attuale stato del progetto (inizio fase B, luglio 2018) Credits: NASA WFIRST Project - Dominic Benford from Michael Lentz/Brooke Hsu / Wikipedia

L'innovativo "Wide Field InfraRed Space Telescope" è il vero successore di Hubble e potrebbe scavalcare il James Webb in molti campi. Vediamo come è fatto e cosa potrà vedere.

 La domanda è un pò provocatoria e il titolo è frutto di una forzatura indotta dal gioco di parole ("first" vuol dire "primo"); in realtà, anche se di recente il lancio del James Webb Space Telescope ha subito un nuovo rinvio di quasi 2 anni, è difficile che possa esserci un sorpasso temporale da parte di WFIRST poichè, sulla base nella recente "Cost Review" indipendente, la cosiddetta "Launch Readiness Date" (LRD) di quest'ultimo cade tra Ottobre 2025 e Marzo 2026, quasi 5 anni dopo la data attuale di JWST.

 Al di là delle previsioni sulla data di lancio, WFIRST potrebbe comunque primeggiare sul suo collega più grande e costoso per altri aspetti, legati alla produttività scientifica. Mettiamo subito in chiaro che, anche se entrambi lavoreranno nell'infrarosso, WFIRST sarà sensibile nell'infrarosso vicino (dove già opera HST), mentre JWST darà il meglio di sè nell'infrarosso medio o termico; dunque i due strumenti non sono in diretta competizione e, da questo punto di vista, è giusto considerare WFIRST il naturale successore di Hubble mentre il lavoro del collega sarà abbastanza diverso e complementare. Per quanto riguarda il costo previsto, esso è attualmente poco sopra i 3 miliardi di dollari, dunque non certo contenuto ma, in ogni caso, circa un terzo rispetto quello stimato di JWST.

WFIRST parts

Disegni schematici di WFIRST in configurazione chiusa durante il lancio (a sinistra) e aperto in configurazione operativa (a destra) - Credit: NASA/Goddard

 WFIRST è concepito pensando a due grandi successi recenti dell'astronomia: la Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e l'Hubble Space Telescope (HST), entrambi basati su specchi che, guardacaso, hanno lo stesso diametro di WFIRST. Mentre in genere uno specchio così grande implica un aumento di risoluzione e di sensibilità a scapito di una riduzione del campo visivo, in WFIRST l'area di cielo abbracciata è enorme, superiore a quella occupata dalla Luna. Questo perchè le ottiche, realizzate da Harris Corporation, erano inizialemente destinate a un satellite militare che doveva spiare ampie porzioni di superficie terrestre1; in questo senso, dunque, WFIRST somiglierà di più al costruendo LSST il quale porta all'estremo questa filosofia, lavorando però nel visibile da Terra.

 In WFIRST, la riconversione ad uso astronomico prevede un disegno ottico con 3 specchi anastigmatici (TMA) e il grande campo corretto verrà sfruttato per produrre immagini mozzafiato e spettri tramite una camera a largo campo WFI; i 18 rivelatori in tecnologia HgCdTe (Mercurio, Cadmio e Tellurio) copriranno la bellezza di 0,281 gradi quadrati2 per un totale di 288 Mpixel. Il WFI, nelle sue due modalità di funzionamento (imager e spettroscopio a largo campo) garantirà gli obiettivi di indagine sulla Eneregia Oscura (tramite survey di galassie distanti ad elevata latitudine galattica e tramite lo studio delle supernove tipo "Ia" usate come "candele standard"), il Microlensing causato da esopianeti e la Survey nel vicino infrarosso; l'enorme passo in avanti è testimoniato dall'immagine sottostante, che mette a confronto il campo abbracciato rispetto a quello di Hubble, 100 volte più piccolo! (anche il campo dei 5 strumenti installati su JWST è ridotto ad alcuni primi d'arco).

WFIRST field

La galassia di Andromeda nel vicino infrarosso, in una survey di Hubble (a sinistra), ha richiesto 432 puntamenti; con WFIRST (a destra) saranno sufficienti 2 inquadrature per fare la stessa indagine! - Credit: NASA / Goddard

 La modalità di funzionamento a "campo largo" include una ruota porta-filtri per coprire l'intervallo da 0,76 a 2,0 μm (infrarosso a ridosso del visibile) mentre nella modalità "spettroscopio" l'intervallo di funzionamento si riduce a 1,35÷1,95 μm. 

 L'altro strumento è un innovativo coronografo che, bloccando la luce della stella centrale, permetterò di vedere direttamente i pianeti intorno ad essa. Anche qui ci sono due modalità di funzionamento, un "imaging mode" e uno "spectroscopic mode" a seconda se si vogliono fotografare o studiare lo spettro di esopianeti e dischi circumstellari. L' imager copre un intervallo da 0,43 a 0,98 μm, dunque simile alla finestra a noi visibile ma leggermente spostata verso l'infrarosso; dovrebbe produrre immagini con un cotrasto elevatissimo (1 a 1 miliardo, meglio dei televisori HDR!) e riuscirà a vedere, nel blu, pianeti che distano dalla stella solo 2,5 volte il cerchio di diffrazione(3).

WFIRST corona

La maschera del coronografo (a sinistra) e una simulazione di come potrebbe apparire un sistema eso-planetario attraverso di esso (a destra) - Credit: NASA / Goddard

 Sul percorso ottico, oltre alla maschera del coronografo, sono inseriti due specchi deformabili che correggeranno le deformazioni sul fronte d'onda introdotte dalle ottiche, analogamente a quanto fanno le ottiche adattive per correggere le deformazioni atmosferiche. In modalità "Integral Field Spectrograph" (IFS) verrà esaminato lo spettro di questi pianeti a bassa dispersione (risoluzione spettrale intorno a 70). La soppressione della luce stellare potrà avvenire con due diverse maschere, la "Hybrid Lyot" e la "Shaped Pupil"; è allo studio anche una terza "Apodization Complex Mask" che,teoricamente, ha prestazioni superiori ma richiederebbe sviluppi tecnologici che vanno oltre l'architettura di base prevista.

WFIRST instr

L'assemblaggio dello specchio principale (in alto e in basso a sinistra) e dell'involucro del telescopio (Outer Barrel Assembly); le due immagini in basso danno una idea delle dimensioni. - Harris Corporation / TJT Photography

 Per quanto riguarda la copertura del cielo, come mostrato qui sotto l'orbita e la conformazione del telescopio sono tali da consentire l'osservazione continua di due regioni circolari ampie 40° attorno a poli dell'eclittica (SNe Fields). Il telescopio può poi ruotare liberamente attorno alla congiungente con il Sole (asse orizzontale) e inquadrare la gascia con elongazione compresa tra 54° e 126° dal Sole, circa il 59% della volta celeste; questa fascia, ruotando nell'arco di 1 anno, permetterà di inquadrare per due volte la regione del nucleo galattico per una durata di 72 giorni in cui si concentreranno gli studi sul microlensing.

WFIRST pointing

La traiettoria di trasferimento e l'orbita di WFIRST, in alto vista da sopra l'eclittica (il Sole è a sinistra) in basso vista dal Sole - Credit: NASA/Goddard

 Per finire, ecco l'orbita di WFIRST, una "quasi-halo" attorno al punto di librazione L2 (dunque simile a quella di JWST).

WFIRST halo

La traiettoria di trasferimento e l'orbita di WFIRST, in alto vista da sopra l'eclittica (il Sole è a sinistra) in basso vista dal Sole - Credit: NASA/Goddard

Note:

(1):  esiste un altro specchio identico, anch'esso donato alla NASA, del cui possibile utilizzo ho parlato in fondo a questo articolo, un anno e mezzo fa.

(2): questo corrisponde a 1/147000 di tutta la volta celeste, che è composta da circa 41250 deg2.

(3): qui mi riferisco all'immagine di diffrazione prodotta da un'apertura circolare, in cui il disco centrale è circondato da vari anelli luminosi e scuri; di questi ultimi, il primo è situato a un angolo pari a 1,22 λ/D radianti (λ è la lunghezza d'onda e D il diametro dell'apertura). Si veda https://it.wikipedia.org/wiki/Disco_di_Airy

 

Riferimenti:

https://wfirst.gsfc.nasa.gov/index.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Wide_Field_Infrared_Survey_Telescope#Funding_history_and_status

 

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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