Come funzionano i telescopi spaziali: specchi, lunghezze d'onda e la visione della storia cosmica

Ogni telescopio spaziale svolge lo stesso compito fondamentale: raccogliere più luce possibile da una fonte debole e lontana e focalizzarla su un rivelatore. Il modo in cui questa luce viene raccolta e quali lunghezze d'onda possono essere catturate dipende dal design degli specchi e da dove il telescopio si trova nello spazio, secondo una panoramica della NASA sulla scienza del telescopio.

Perché mettere un telescopio nello spazio?

I telescopi basati a terra guardano attraverso l'atmosfera terrestre, dove sacche d'aria in movimento distorcono la luce in arrivo — lo stesso effetto che fa brillare le stelle. La pagina del programma Hubble della NASA spiega che questo movimento offusca le immagini scattate da terra e che l'atmosfera assorbe anche la maggior parte della radiazione ultravioletta e infrarossa prima di raggiungere la superficie.

Orbitando a circa 480 chilometri sopra la Terra, Hubble evita questo offuscamento atmosferico e riesce a rilevare oggetti circa dieci volte più deboli di quelli che telescopi equivalenti da terra possono rilevare, secondo la NASA. I telescopi spaziali possono anche osservare continuamente, senza che il tempo, la luce del giorno o l'inquinamento luminoso cittadino interferiscano.

Specchi, non solo lenti

I primi telescopi utilizzavano lenti di vetro per piegare la luce, un design chiamato rifrazione. La spiegazione Telescopi 101 della NASA osserva che le lenti grandi diventano pesanti e difficili da lanciare, quindi la maggior parte dei telescopi moderni sono telescopi riflettenti che utilizzano specchi curvi, poiché gli specchi possono essere realizzati più sottili e leggeri per le stesse dimensioni.

In un tipico design riflettente, la luce colpisce uno specchio primario grande a forma di paraboloide e rimbalza su uno specchio secondario più piccolo. Nel James Webb Space Telescope nello specifico, la descrizione degli specchi di Webb della NASA aggiunge altri due passaggi: la luce dallo specchio secondario si riflette su uno specchio terziario concavo e poi su uno specchio di guida fine piatto prima di raggiungere infine gli strumenti scientifici.

Telescopi diversi, luci diverse

La luce visibile, ultravioletta e infrarossa possono tutte essere focalizzate con forme speculari simili ma rivestimenti diversi. I 18 segmenti dello specchio primario esagonale di Webb, realizzati in metallo berillio e rivestiti con uno strato di 100 nanometri di oro, sono sintonizzati specificamente per riflettere efficientemente la luce infrarossa, secondo la descrizione degli specchi di Webb della NASA. Hubble, al contrario, è costruito per raccogliere la luce ultravioletta, visibile e infrarossa vicina, dice la NASA.

I raggi X si comportano diversamente: penetrerebbero semplicemente o sarebbero assorbiti da uno specchio ordinario, proprio come i proiettili colpiscono un muro, spiega il Chandra X-ray Center di Harvard. Gli specchi di Chandra hanno invece la forma di cilindri innestati rivestiti di iridio, riflettendo i raggi X solo ad un angolo di 'raschiatura' poco profondo piuttosto che frontalmente, dice il centro. Chandra utilizza quattro coppie di specchi nidificati, otto specchi in totale, lucidati e allineati entro 1,3 micrometri.

I raggi gamma sono ancora più energici e passano direttamente attraverso l'ottica convenzionale. La NASA sottolinea che i telescopi per raggi gamma come Fermi utilizzano invece rivelatori che tracciavano le particelle prodotte quando i raggi gamma colpiscono materiale denso come il tungsteno, ricostruendo l'origine del raggio da quelle tracce di particelle piuttosto che focalizzando i raggi con uno specchio.

Perché la posizione è importante: l'orbita distante di Webb

Webb non orbita la Terra da vicino come fa Hubble. La pagina della missione della NASA dice che Webb orbita attorno al secondo punto di Lagrange Sole-Terra, L2, a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, completando un circuito circa ogni sei mesi. In quella posizione, il Sole, la Terra e la Luna rimangono da un lato del veicolo spaziale, permettendo al parasole di Webb, delle dimensioni di un campo da tennis, di bloccare continuamente il loro calore e la loro luce.

Questo schermaggio è essenziale perché Webb osserva la luce infrarossa, che è essenzialmente calore. La NASA afferma che il telescopio funziona a temperature estremamente fredde — circa meno 223 gradi Celsius, secondo la pagina dell'orbita di Webb — in modo che qualsiasi calore vagante dal Sole o dalla Terra non allaga i rivelatori con rumore infrarosso e non sovraffolla i deboli segnali dalle galassie lontane.

Vedere il passato, non solo il distante

Poiché la luce viaggia a una velocità fissa e finita, guardare più lontano nello spazio significa guardare più indietro nel tempo. La panoramica scientifica della NASA su Webb nota che il telescopio può rilevare la luce infrarossa da galassie a più di 13,5 miliardi di anni luce di distanza — il che significa che la luce catturata oggi ha lasciato quelle galassie più di 13,5 miliardi di anni fa, quando l'universo era giovane. Osservando la luce, in effetti, mostra l'oggetto come esisteva al momento in cui la luce se ne andò, non come appare ora.

Webb porta quattro strumenti scientifici per analizzare quella luce antica: NIRCam e NIRSpec per l'imaging e la spettroscopia dell'infrarosso vicino, MIRI per le osservazioni dell'infrarosso medio e un Sensore di Guida Fine accoppiato con lo strumento NIRISS, secondo la panoramica del telescopio della NASA.

Dallo specchio all'immagine sulla Terra

I moderni telescopi spaziali non utilizzano pellicola fotografica. La spiegazione della NASA su come funzionano i telescopi afferma che la luce focalizzata dagli specchi cade su rivelatori elettronici, che la convertono in segnali digitali. Questi segnali sono archiviati dai computer a bordo e trasmessi alle stazioni di terra sulla Terra, dove gli scienziati ricostruiscono i dati nelle immagini rilasciate al pubblico.