Come i telescopi spaziali vedono ciò che gli osservatori terrestri non possono vedere

La luce delle stelle e delle galassie viaggia attraverso l'universo in molte forme, non solo nei colori visibili che l'occhio umano può vedere. La luce ultravioletta, infrarossa, i raggi X e la luce gamma portano informazioni su stelle giovani calde, nuvole di polvere fredde, stelle esplose e buchi neri. L'atmosfera terrestre, tuttavia, assorbe o distorce la maggior parte di quella luce prima che raggiunga il suolo, secondo la NASA Science e l'Agenzia Spaziale Europea (ESA).

Perché l'atmosfera terrestre è una barriera

L'ESA spiega che l'atmosfera crea due problemi separati per l'astronomia infrarossa. In primo luogo, assorbe la maggior parte delle lunghezze d'onda infrarosse, permettendo a poche bande strette di raggiungere i telescopi terrestri. In secondo luogo, l'atmosfera stessa emette luce infrarossa, spesso emettendo più radiazioni dell'oggetto cosmico debole che gli astronomi stanno cercando di studiare, il che seppellisce il segnale nel rumore.

L'ESA nota inoltre che l'atmosfera blocca la maggior parte delle radiazioni ad alta energia e ultraviolette, inclusi i raggi X, i raggi gamma e la maggior parte dei raggi ultravioletti. La NASA nota che Chandra, il suo osservatorio a raggi X, orbita fino a un'altitudine di circa 139.000 chilometri (86.500 miglia) sopra la Terra — circa 200 volte più in alto di Hubble — specificamente perché i raggi X non raggiungono mai la superficie.

Spostare un telescopio al di sopra dell'atmosfera, o lontano dalla Terra nel complesso, elimina entrambi i problemi contemporaneamente: non c'è aria rimasta per assorbire la luce, e non c'è bagliore atmosferico per soffocarla.

Telescopi diversi, luce diversa

Ogni grande osservatorio spaziale è sintonizzato su una parte specifica dello spettro. Hubble, lanciato nel 1990, osserva principalmente luce ultravioletta e visibile (0,1 a 2,5 micrometri) e orbita a circa 300 miglia (483 km) sopra la Terra, ancora entro la portata di occasionali missioni di manutenzione, secondo la NASA Science. Il James Webb Space Telescope, lanciato nel dicembre 2021, è costruito per la luce infrarossa e si trova molto più lontano, vicino al secondo punto di Lagrange (L2) a circa un milione di miglia dalla Terra, dove il suo calore e il calore della Terra non possono interferire con i deboli segnali infrarossi che sta cercando di rilevare.

Lo specchio primario di Webb copre 6,5 metri (21,3 piedi), rispetto ai 2,4 metri (7,9 piedi) di Hubble, dandogli più di sei volte l'area di raccolta della luce. La NASA Science afferma che Webb può rilevare oggetti fino a 100 volte più deboli di quanto Hubble possa vedere. Poiché l'espansione dell'universo estende la luce dalle galassie più distanti e più antiche in lunghezze d'onda infrarosse — un effetto di redshift — la sensibilità infrarossa di Webb gli permette di guardare più indietro nel tempo cosmico di quanto possano fare gli strumenti ultravioletti e visibili di Hubble.

Webb porta strumenti dedicati per diversi intervalli infrarossi. La sua Near-Infrared Camera (NIRCam) copre da 0,6 a 5 micrometri e serve come imager infrarosso primario di Webb, secondo la pagina degli strumenti della NASA Science. Lo Mid-Infrared Instrument (MIRI) copre da 5 a 28 micrometri e combina una fotocamera, uno spettrografo che divide la luce in uno spettro per misurare la luminosità a ogni lunghezza d'onda, e un coronografo che blocca l'abbagliamento di una stella in modo che i pianeti più deboli nelle vicinanze possano essere visti. MIRI ha bisogno di un criogeneratore aggiuntivo per mantenersi più freddo del resto dell'osservatorio in modo che i suoi rivelatori non siano accecati dal calore residuo di Webb.

Non tutti gli osservatori spaziali producono immagini. L'astronave Gaia dell'ESA, lanciata il 19 dicembre 2013 e posizionata vicino a L2, sta costruendo una mappa tridimensionale straordinariamente precisa di più di due miliardi di stelle attraverso la Via Lattea, tracciando i loro movimenti, luminosità, temperatura e composizione, secondo la pagina della missione Gaia dell'ESA. L'ESA dice che Gaia ha migliorato la precisione posizionale di un fattore di cento rispetto al suo predecessore, il satellite Hipparcos; la missione è entrata nella fase post-operativa dopo aver affrontato problemi di sensori e micrometeoriti nel 2024.

All'estremità ad alta energia dello spettro, l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, lanciato il 23 luglio 1999, rileva i raggi X da fenomeni estremamente caldi: stelle esplose, ammassi di galassie e materiale che si muove vorticosamente attorno a buchi neri, secondo la pagina della missione di astrobiologia della NASA.

Mettere i pezzi insieme

Lo scienziato del progetto Herschel dell'ESA Göran Pilbratt ha descritto il valore dell'osservazione infrarossa specificamente per studiare come si formano le stelle e i pianeti: "Osservando nell'infrarosso possiamo studiare come si formano le cose, i primissimi passi, perché i processi di formazione molto spesso accadono in luoghi freddi e polverosi," ha detto, secondo l'ESA. La luce infrarossa passa attraverso le nuvole di polvere che bloccano la luce visibile, permettendo a strumenti come NIRCam e MIRI di Webb di vedere stelle e pianeti neonati nascosti dentro le nebulose.

Poiché nessun singolo telescopio copre l'intero spettro, gli astronomi combinano abitualmente i dati da diversi osservatori. La NASA Science descrive Hubble e Webb come partner complementari piuttosto che rivali: la visione infrarossa più profonda di Webb penetra la polvere e il gas, mentre la visione visibile e ultravioletta di Hubble completa le viste infrarosse di Webb, producendo insieme visioni più ampie degli stessi oggetti.