Lavoro di sviluppo con visione d'insieme

Chi progetta un telescopio spaziale come Euclid ha a disposizione un solo tentativo di lancio. Per far funzionare la tecnologia in condizioni spaziali, i ricercatori e i team di ingegneri della Gesellschaft Max-Planck hanno dovuto affrontare grandi sfide. Hanno sviluppato e assemblato componenti ottici e parti degli strumenti a bordo e attualmente si occupano di garantire dati perfetti. Il fatto che, dopo anni di pianificazione, possa succedere qualcosa di imprevisto dimostra che Euclid sta spingendo oltre i limiti di ciò che finora era possibile realizzare.

Il momento in cui il telescopio spaziale Euclid ha inviato le sue prime immagini sulla Terra è stato preceduto da decenni di ricerca e sviluppo tecnologico. A questo hanno contribuito anche ricercatori e ingegneri degli Istituti Max-Planck di Astronomia di Heidelberg e di Fisica Extraterrestre di Garching vicino Monaco di Baviera. Essi fanno parte del consorzio Euclid, composto da istituzioni di ricerca di 17 paesi. Hanno inoltre sviluppato e costruito i due strumenti del telescopio, la fotocamera ottica (VIS, Visible Instrument) e la fotocamera a infrarossi vicini (NISP, Near-Infrared Spectrometer and Photometer). Un altro team dei due Istituti Max-Planck garantisce ora, insieme a colleghi di altre strutture, il funzionamento del telescopio, la logistica e la qualità dei dati trasmessi.

Unicità

Euclid si trova su un'ipotetica linea tra il Sole e la Terra, dietro quest’ultima, e da lì cerca di osservare una vasta porzione del cielo visibile alla ricerca di galassie lontane. Qui, lontano dall’atmosfera terrestre, nulla oscura la vista sull’universo oscuro e variegato. Il telescopio è un pezzo unico. "Abbiamo sviluppato insieme i più grandi sistemi di lenti ottiche mai utilizzati in una missione scientifica spaziale", dice Frank Grupp, scienziato principale dell’Istituto Max-Planck per la Fisica Extraterrestre e dell’Università Ludwig-Maximilians. Quattro lenti, con diametro fino a 18 centimetri e peso di 2,5 chilogrammi, è qualcosa di mai visto prima.

Anche i tre filtri di colore dell’NISP stabiliscono record. "Sono i più grandi filtri a infrarossi mai usati in tutte le missioni spaziali di astronomia", afferma Knud Jahnke, dell’Istituto Max-Planck di Astronomia, che ha sviluppato i filtri insieme all’industria. La superficie della fotocamera di Euclid cattura un’immagine grande circa quanto la Luna piena, circa 250 volte più grande del Campo Profondo di Hubble, una singola immagine del telescopio spaziale Hubble, un finestra stretta in cui sono visibili migliaia di galassie lontane.

Il grande campo visivo e la grande ottica si influenzano reciprocamente. Sono utilizzati per fotografare, in soli sei anni, quasi l’intero cielo visibile oltre la nostra galassia, con alta risoluzione e dettaglio, e per creare una mappa tridimensionale di miliardi di galassie. L’obiettivo è rispondere a domande su come si è evoluto l’universo e quale ruolo abbiano avuto materia oscura ed energia oscura.

Minuti di tensione

Dopo tanti anni di assemblaggio accurato degli strumenti del telescopio in condizioni di purezza estrema, Euclid è decollato l’1 luglio 2023, sotto un fragoroso rumore, a bordo di un razzo Falcon 9 dal centro spaziale di Cape Canaveral. Frank Grupp ricorda: "Quando ho sentito i motori vibrare nel ventre e nel petto, ho pensato alle mie lenti, che si trovavano a soli 60 metri dai motori e sono state sottoposte a vibrazioni molto più intense". Tuttavia, era fiducioso e sapeva che l’ottica avrebbe resistito.

"Per la maggior parte, la meccanica è progettata per resistere a due minuti di lancio, durante i quali si verificano forze estreme", afferma Knud Jahnke. I guasti più gravi si sono verificati solo all’inizio della pianificazione. "All’inizio, un primo progetto di lente si è rotto durante i test. È stato doloroso. Era leggero, ma troppo fragile a causa del materiale. Abbiamo imparato da questo", dice Frank Grupp. "Il fallimento è un tema delicato, ma è importante". Le lenti che sono state lanciate nello spazio erano più pesanti, ma più robuste. Una decisione di compromesso, perché ogni grammo di peso in fase di lancio comporta costi elevati.

Il successo nei dettagli

Per ottenere immagini ottiche di Euclid adatte a studi cosmologici, cioè immagini migliori di quelle possibili da terra, sono necessari scienziati di calibrazione. All’Istituto Max-Planck di Astronomia, essi si occupano di calibrare le aspettative sul sistema del telescopio in condizioni ideali rispetto a quelle reali in orbita. Ottimizzano le immagini e i dati studiando con precisione le caratteristiche degli strumenti e del telescopio, così come l’influenza dell’ambiente ostile dello spazio, e tengono conto di tutto successivamente. "Lo strumento è come è", afferma Knud Jahnke. "Posso calcolare su carta cosa aspettarmi, ma nello spazio ci sono condizioni leggermente diverse rispetto al laboratorio sulla Terra".

Una mappa tridimensionale dell’universo

Dopo sei anni, Euclid avrà fornito circa 40.000 immagini. Per creare una mappa tridimensionale delle galassie nel nostro universo osservabile a partire da immagini bidimensionali, saranno utilizzati telescopi terrestri per determinare le distanze delle galassie riprodotte. "I dati dei telescopi terrestri che utilizziamo superano di gran lunga il volume di dati di Euclid", afferma Maximilian Fabricius, dell’Istituto Max-Planck per la Fisica Extraterrestre e dell’Università Ludwig-Maximilians di Monaco, che dirige il centro dati tedesco di Euclid. Tra questi: dati spettroscopici, cioè le componenti di colore della luce visibile, che insieme agli spettri infrarossi di Euclid permetteranno di determinare le distanze alle miliardi di galassie.

La fiducia genera sicurezza

Le prime immagini scientifiche pubblicate dimostrano che il design del telescopio soddisfa tutti i requisiti. Gli istituti Max-Planck coinvolti sono stati parte di un processo complesso e dettagliato durante lo sviluppo del telescopio. Un telescopio spaziale ha un solo tentativo di lancio e non è possibile effettuare riparazioni successive. La chiave del successo, secondo Knud Jahnke, non risiede solo nella competenza tecnica, ma anche in una cultura di gestione degli errori aperta durante tutto il processo di sviluppo: "È stato molto positivo per la missione poter affrontare i problemi sempre in modo trasparente e con fiducia reciproca".