di Paolo G. Calisse - 24 aprile 2015
Il 24 aprile del 1990 decollava da Cape Canaveral, nella stiva della navetta spaziale
Discovery, una delle più straordinarie creazioni del genio umano: il
Hubble Space Telescope (
HST nel seguito), il primo, vero telescopio orbitante.
Figlio “non riconosciuto” - per così dire - dei satelliti spia della serie KH-11 Kennan (KH sta per
Key-Hole, o "buco della serratura"), ne condivide l'assemblaggio ottico e parte della struttura. L'esistenza di questi sofisticatissimi satelliti spia, quasi ignota agli astronomi di allora, consentì alla Kodak di ridurre decisamente il costo delle ottiche.
HST si è dimostrato uno degli strumenti spaziali più versatili di sempre. È in grado di osservare una grande varietà di oggetti in cielo, con la notevole eccezione del Sole, troppo brillante, e del pianeta Mercurio, ad esso troppo vicino per essere osservato senza rischi di danneggiamento dei sensori. Tra i suoi spettacolari risultati e scoperte vi sono dischi di detriti di forme inaspettate orbitanti stelle lontane, immagini di galassie in formazione, gli effetti della materia e dell'energia oscura, zone di formazione stellare, resti di supernova, ma anche osservazioni di Saturno, la scoperta di due nuovi satelliti di Plutone e il sito di atterraggio della missione Apollo 17 sulla Luna. Senza contare la magnificenza di un catalogo di foto in grado di competere con autori come Ansel Adams e Henry Cartier-Bresson
in quanto a risultati estetici. HST è arrivato ai confini estremi dell'universo, fotografando migliaia di galassie in una sola volta nelle sue immagini a più elevata risoluzione.
Favorito dall'assenza di atmosfera in orbita, HST ha aperto letteralmente una nuova finestra nello spazio, nonostante i 2,4 m di diametro del suo specchio principale siano ben poco rispetto ai più grandi telescopi a terra, come il Very Large Telescope a Paranal in Cile, che vanta una superficie complessiva circa 44 volte maggiore. Come spesso accade, quello che si prevedeva di misurare ed osservare con questo straordinario strumento è diventato nel tempo irrilevante rispetto a quanto veniva scoperto di inaspettato. L'assenza di atmosfera non solo gli ha consentito di avvicinarsi alla risoluzione teorica consentita dalle ottiche – il cosiddetto
limite di diffrazione – ;ma anche di ridurre la luminosità di fondo e di osservare il cielo in bande come quella ultravioletta, un risultato impossibile da ottenere da terra.
Nel seguito alcune informazioni sul satellite e una cronistoria del progetto, che include alcuni dei risultati scientifici ottenuti nel corso della sua lunga vita. Questi risultati, tratti dai quasi 10 alla settimana pubblicati in media su riviste scientifiche, non sono né i più rilevanti né tanto meno gli unici. Li ho disseminati nella cronistoria che segue solo per fornire un esempio il più possibile vario di quanto questo straordinario strumento abbia consentito di avanzare le nostre conoscenze dell'Universo.
Hubble Space Telescope in breve
| Massa | 11.110 kg |
| Lunghezza | 13,2 m |
| Diametro massimo | 4,2 m |
| Quota orbitale | 552 km |
| Periodo orbitale | 97 minuti |
| Velocità orbitale | 28.000 km/h |
| Potenza elettrica | 2.8 kW |
| Configurazione dell’ottica | Cassegrain Ritchey-Chretien |
| Rapporto focale | f/24 |
| Accuratezza del puntamento | 0,007 arcsec per 24 hr, pari allo spessore di un capello visto da 1 km e mezzo di distanza |
| Risoluzione nel visibile | 0,05 arcsec. Hubble sarebbe capace di distinguere da New York due lucciole separate da 1 metro a San Francisco |
| Lunghezze d’onda osservate | dal visibile all'ultravioletto, che è inaccessibile da terra |
| Costo al lancio | 1,5 miliardi di US$ del tempo (circa 2,52 miliardi di euro di oggi) |
| Numero di articoli scientifici pubblicati basati su dati HST | 12.877 (aggiornato al 22/1/2015) |
| Numero di autori di almeno un articolo basato su dati HST | 13.841 |
| Dati trasmessi a terra dall’inizio della missione | circa 156 TB (120 GB a settimana) |
| Vita prevista inzialmente | 15 anni, con aggiornamenti ogni 3-5 anni della strumentazione al piano focale |
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| 17 maggio 2009, Fourth Service Mission: gli astronauti NASA Michael Good e Michael Massimino mentre riparano l'STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) all'interno di HST durante una EVA (Extravehicular Activity) di 8 ore di durata [credit: NASA] |
Cronistoria del Telescopio Spaziale Hubble
1923: in un articolo dal titolo
“Il razzo nello spazio planetario”, Hermann Oberth, uno dei padri della scienza missilistica, teorizza la possibilità di mettere in orbita un telescopio astronomico.
1946: Lyman Spitzer preconizza in un articolo i vantaggi di cui beneficerebbe un telescopio spaziale a causa dell'assenza di atmosfera e ne propone la costruzione.
1952: Sei anni prima della fondazione della NASA, Wernher von Braun, il futuro artefice dei razzi
Saturn impiegati nelle missioni Apollo ma ancora poco conosciuto al grande pubblico, pubblica un articolo in cui descrive la sua visione del nostro futuro nello spazio.
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Prima pagina di un articolo di Wernher von Braun sul numero di marzo 1952
della rivista Collier's. Accanto ad uno spazioplano che ricorda vagamente il
britannico Skylon odierno si notano una piccola stazione spaziale e un telescopio
orbitante, di dimensioni paragonabili a quelle del futuro HST [credit: Collier's]. |
1966: Prima riunione del comitato per il "Large Space Telescope", diretto dallo stesso Spitzer.
1969: è l'anno di Apollo 11: viene pubblicato il rapporto
“Usi scientifici di un grande telescopio nello spazio”, a cura dello stesso comitato, nel quale si approfondiscono vantaggi e caratteristiche uniche di un telescopio spaziale.
Dicembre 1972: L'Amministratore della NASA, James C. Fletcher, riconosce che i fondi richiesti, 750 milioni di US$, sono troppo elevati per ottenere l'approvazione dal Congresso dopo la fine del periodo d'oro della "conquista della Luna".
Dicembre 1974: La dimensione dello specchio principale viene ridotta da 3 a 2,4 m. In questo modo, anche se ai tempi non era ancora noto, la Kodak è in grado di sfruttare le sinergie con i satelliti spia serie KH-11. La riduzione consentirà inoltre la messa in orbita con lo Space Transportation System (Space Shuttle), allora in avanzata fase di progettazione, piuttosto che con un vettore senza equipaggio, oltre a un gran numero di vantaggi ulteriori in termini di costi e peso.
1975: L'Agenzia Spaziale Europea o ESRO (
European Space Research Organization, come era chiamata allora), si unisce agli sforzi della NASA per costruire l'osservatorio spaziale orbitante. Il contributo europeo principale sarà costituito dai pannelli solari e dalla
Faint Object Camera (OFC, o "Camera per Sorgenti Deboli").
19 dicembre 1976: decolla da Cape Canaveral il primo satellite spia classe KH-11, dal quale HST erediterà gran parte delle caratteristiche ottiche e la struttura, al punto da poter essere trasportato negli stessi contenitori.
1977: Il congresso USA accetta di finanziare il progetto iniziale con 200 milioni di US$ iniziali.
1978: La Perkin-Elmer vince la commessa per la costruzione delle ottiche, mentre la Lockheed Missile and Space Co. quella per la costruzione del satellite e dei sistemi di supporto.
Maggio 1979: Negli stabilimenti Perkin-Elmer di Dalbury inizia il
polishing (la pulitura finale) dello specchio principale.
1979: Alcuni astronauti NASA iniziano l'addestramento per la messa in orbita di HST.
12 aprile 1981: La prima missione Space Shuttle, STS-1, riporta due astronauti USA in orbita per la prima volta dal 1975, anno dell'ultima missione Apollo. La nuova possibilità di avere a bordo equipaggio e cargo in orbita allo stesso tempo è vitale per il progetto HST e viceversa: senza un'adeguata giustificazione scientifica, il progetto Space Shuttle avrebbe rischiato di essere cancellato.
22 giugno 1982: durante uno dei test eseguito sulle ottiche, un tecnico della Perkin-Elmer incolla al proprio quaderno di laboratorio i risultati di un
interferogramma (un grafico che fornisce informazioni molto accurate sulla posizione delle ottiche) che suggerisce l'esistenza di un problema che passa inosservato ma avrà conseguenze fondamentali in futuro.
1983: Anno previsto per il lancio di HST. Viene anche fondato lo Space Telescope Science Institute (STScI) a Baltimore, nel Maryland, che avrà il compito di coordinare e sovrintendere tutta l'attività e la ricerca di HST. Primo direttore sarà il futuro Premio Nobel italoamericano Riccardo Giacconi, nato a Genova nel 1931 e trasferitosi negli USA dopo la laurea a Milano.
Ottobre 1983: Il Grande Telescopio Spaziale viene rinominato in onore del grande astronomo inglese Edwin Hubble, scopritore dell'espansione dell'universo.
1985: HST è finalmente pronto per il lancio.
28 gennaio 1986: 73 secondi dopo il lancio lo Space Shuttle
Challenger si disintegra, portando alla tragica morte dei sette astronauti a bordo. Tra le consequenze del tragico incidente, il ritardo della missione per la messa in orbita dell'HST. Prevista per ottobre dello stesso anno, viene rinviata a data da destinarsi.
29 settembre 1988: i voli dello Space Shuttle riprendono con la missione Discovery STS-26.
10 aprile 1990: Il primo tentativo di lancio viene interrotto a T-4 secondi a causa del malfunzionamento dell'APU (Auxiliary Power Unit), il sistema ausiliario di produzione dell'energia elettrica a bordo, che verrà sostituito nei giorni successivi.
24 aprile 1990. Dopo un rinvio di quasi 5 anni, Hubble Space Telescope viene lanciato nello spazio a bordo dello Space Shuttle
Discovery con 5 strumenti al piano focale. A bordo anche il Pilota Charles Bolden, attuale Amministratore della NASA, e l'astronomo-astronauta Steven Hawley, specialista di missione. Nel corso della missione STS-31 tutto procede perfettamente fino all'estensione del secondo pannello fotovoltaico, che si blocca esteso a metà. Dopo qualche "ritocco" al software il problema viene risolto e Hubble viene rilasciato in orbita. I primi test ingegneristici superano qualche difficoltà iniziale al puntamento, ai pannelli solari e col sistema di messa a fuoco.
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A destra, l'ammasso aperto NGC 3532 come appare in una delle prime immagini trasmesse a terra da HST.
A sinistra, lo stesso ammasso dal telescopio di Las Campanas (Chile), che ha un diametro simile (2,5 m).
[credit: NASA/Carnegie University Observatories] |
20 maggio 1990: La prima vera immagine ripresa dalla Wide Field Planetary Camera (Camera planetaria a largo campo) viene rilasciata (vedi figura accanto). L'immagine è grosso modo il 50% più definita di quelle acquisite a terra con telescopi di dimensione paragonabile, ma non all'altezza di quanto previsto: qualcosa non quadra. All'inizio si attribuisce il problema ad un incorretto allineamento tra primario e secondario ma in seguito ad alcune simulazioni al computer emerge rapidamente l'esistenza di un'imprevista aberrazione sferica nello specchio principale. Questa aberrazione infinitesimale ammonta a soli 4 micron di differenza nella curvatura dello specchio primario (circa 1/50 del diametro di un capello umano), ma è sufficiente a rendere le immagini sfuocate. La sua causa sembra essere una metodologia insufficiente nei test ottici operati dalla Optical Operation Division della Perkin-Elmer, la compagnia che ha realizzato lo specchio primario. Almeno 4 diversi test eseguiti avrebbero dovuto suggerire l'esistenza di un problema (vedi 22 giugno 1982 per il primo di essi), ma nessuno ci aveva fatto caso a causa di una certa imprecisione nella gestione del progetto da parte della compagnia. Fortunatamente il telescopio è stato progettato per essere assistito in orbita. Nei mesi seguenti viene messa a punto lentamente una strategia per correggere il problema attraverso l'impiego di un'ottica correttiva da inserire all'interno del telescopio. Nel frattempo, comunque, le immagini ricavate, ed un conseguente miglioramento degli algoritmi di correzione ottica, consentono di ottenere già un gran numero di risultati spettacolari.
5 ottobre 1993: Perkin Elmer accetta di pagare 25 milioni di US$ per evitare una denuncia penale per avere falsificato alcuni documenti relativi alla qualità dello specchio di HST. La riparazione in orbita del telescopio (vedi nel seguito) costa
più di 3 volte tanto: 86 milioni di US$
per una nuova missione Space Shuttle per il solo sviluppo e realizzazione delle sole ottiche correttive. Da aggiungere ai costi di una missione Shuttle di manutenzione valutati, ai tempi, tra i 500 e i 630 milioni di US$.
2 dicembre 1993: la
Service Mission 1 (Prima Missione di Servizio) decolla da Cape Canaveral con la sigla STS-61. Si tratta di una delle più complesse e articolate missioni Space Shuttle mai avvenute fino ad allora. Lo Space Shuttle deve avvicinare HST e catturarlo con il braccio robotizzato CanadArm. Due astronauti per volta spendono quindi diverse ore di lavoro durissimo per eseguire tutte le varie operazioni, facendo uso di oltre 150 attrezzi diversi. Il Fotometro ad Alta Velocità (HSP,
High Speed Photometer), uno degli strumenti iniziali al piano focale dell'HST, viene rimosso e sostituito dal
COSTAR (
Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement, letteralmente "Sostituzione in Asse per la Correzione Ottica del Telescopio Spaziale"). Anche la
Wide Field and Planetary Camera (Camera Planetaria a largo campo) viene sostituita con un nuovo strumento aggiornato contenente ottiche correttive, la WFPC2.
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Le prestazioni di HST prima e dopo la First Service Mission:
L'immagine di sinistra della galassia M100 è acquisita con l'ottica
aberrata e la WF/PC1; quella di destra con la WF/PC2 e l'ottica
corretta. La differenza è in un microscopico errore
nella curvatura dello specchio primario, pari a 1/50 del diametro
di un capello [credit: NASA/ESA] |
13 gennaio 1994: viene rilasciata la prima immagine del telescopio con il
COSTAR installato. La risoluzione delle immagini è fantastica e apre nuovi orizzonti alla ricerca astronomica. La porzione di universo accessibile all'astronomia ottica è improvvisamente migliaia di volte più grande di prima.
1 aprile 1995: HST riprende quella che diverrà la sua immagine più iconica: quella dei cosiddetti Pilastri della Creazione, una regione di gas e polvere nella nebulosa dell'Aquila dove hanno origine nuove stelle. La regione si trova a circa 7.000 anni luce di distanza dal Sole. Per farsi un'idea delle sue dimensioni basti pensare che la lunghezza della colonna di sinistra è quasi pari a quella che separa il Sole dalla stella più vicina, Alpha Centauri. L'immagine è una sovrapposizione di immagini prese nel visibile e nell'ultravioletto.
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I "Pilastri della Creazione", forse l'immagine più popolare acquisita da HST. A sinistra
nell'edizione originale del 1995, a destra in quella aggiornata del 2014.; |
18-28 dicembre 1995: per 150 orbite di HST la camera WFPC2 viene puntata verso una minuscola porzione dello spazio profondo, rivelando un numero enorme di galassie di tutte le forme e dimensioni. Queste osservazioni passeranno alla storia come
Hubble Deep Field (HDF, "Campo Profondo Hubble") e saranno seguite negli anni successivi da ulteriori approfondimenti: l'Hubble Ultra-Deep Field (UDF), e l'Hubble eXtreme Deep Field (XDF), che si spingono a risoluzioni, e quindi a distanze, ancora più estreme. Quest'ultima ha richiesto circa 12 giorni (170 orbite) di osservazioni della stessa area di cielo, senza contare il tempo speso per la pianificazione delle osservazioni, la selezione dei filtri giusti tra i 48 disponibili, e la riduzione dei dati.
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Tutte le sorgenti che affollano la Extreme Deep Field – in questa foto – sono galassie, migliaia
di galassie, ciascuna composta da decine o centinaia di miliardi di stelle. Nulla come questa foto rende l'idea delle dimensioni dell'universo in cui viviamo [credit NASA/ESA] |
10 dicembre 1996: HST acquisisce la prima immagine risolta diretta di una stella che non sia il Sole: Betelgeuse, una supergigante rossa. Le immagini rivelano delle inattese macchie più calde sulla superficie della stella.
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Betelgeuse vista da HST: a sinistra le dimensioni
relative rispetto all'orbita terrestre e di Giove;
a destra la sua posizione in cielo [credit: NASA/ESA] |
11-21 febbraio 1997:
Service Mission 2. Grazie a cinque EVA (
Extravehicular Activity, le "passeggiate spaziali"), due dei vecchi strumenti al piano focale vengono sostituiti con versioni aggiornate. Nel corso della missione, detta STS-82, viene anche completato un gran numero di aggiornamenti all'elettronica ed alla strumentazione di bordo.
19-27 dicembre 1999:
Servicing Mission 3A. Nel corso delle 5 EVA vengono sostituiti tutti i giroscopi di bordo, risultati meno affidabili del previsto a causa di un problema inatteso, più varie componenti elettroniche e il computer di bordo, sostituendolo con una versione aggiornata e molto più potente. Ora tutti i dati vengono registrati su memorie a stato solido invece che sugli originali sistemi a nastro magnetico.
27 novembre 2001: esaminando una riga di emissione del sodio, la prima atmosfera di un pianeta extrasolare viene rivelata dopo osservazioni condotte per 4 orbite consecutive. Si tratta del pianeta exrasolare HD 209458 b.
1-12 marzo 2002:
Servicing Mission 3B. Gli astronauti della missione Space Shuttle STS-109 installano la nuova
Advanced Camera for Surveys (ACS, Camera Avanzata per le panoramiche) che permette al telescopio di riprendere porzioni di cielo più ampie. Inoltre, nel corso delle ormai consuete cinque EVA vengono sostituiti anche i pannelli solari e altri componenti degradati. HST viene infine “trainato” alla quota iniziale da cui era decaduto a causa dell'attrito della residua atmosfera presente.
1 febbraio 2003: lo Space Shuttle
Columbia si disintegra durante il rientro nell'atmosfera, portando alla morte dei 7 astronauti a bordo. Ancora una volta tutti i voli in programma vengono rinviati in attesa di capire cosa non ha funzionato. Con essi una già programmata quinta e ultima missione di servizio per l'HST, la
Service Mission 4.
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La materia oscura è l'anello visibile in questa
mappa della distribuzione di massa dell'ammasso
di Galassie CI 0024+17 [credit: NASA/ESA e Jee] |
Agosto 2004: l'alimentazione di backup dello Spettrografo STIS smette di funzionare, rendendo lo strumento inutilizzabile. Il sistema principale si era già guastato precedentemente.
1 dicembre 2005: attraverso alcune osservazioni di distorsioni gravitazionali eseguite con lo strumento ACS a bordo di HST, l'astronomo
M. James Jee e i suoi collaboratori ipotizzano la presenza di un anello composto della misteriosa
materia oscura intorno all'ammasso di galassie Cl 0024+17. L'anello ha un diametro di 2,6 milioni di anni luce.
11-24 maggio 2009:
Service Mission 4, la quinta e ultima. Dopo il disastro del
Columbia del 2003, le missioni Space Shuttle devono usare la ISS come eventuale scialuppa di salvataggio in caso di guasti gravi. Ma l'orbita di HST ha una inclinazione diversa da quella della ISS, quindi l'accesso all'ISS è precluso. Per ovviare a questa difficoltà, un altro Space Shuttle viene tenuto pronto al decollo per una eventuale missione di salvataggio. Durante questa missione comunque tutto va bene: cinque EVA consentono agli astronauti di sostituire la Wide Field Planetary Camera 2 WFC2 con una versione aggiornata, WFC3, i 6
giroscopi, le batterie, oltre a varie componenti elettronici e meccanici guasti o usurati. Il COSTAR installato 16 anni prima per correggere l'aberrazione sferica viene sostituito con il Cosmic Origins Spectrograph (COS), in grado di eseguire spettri su sorgenti lontanissime, sia nel visibile che nell'ultravioletto.
6 dicembre 2011: pubblicato il decimillesimo articolo scientifico basato direttamente sull'analisi di dati raccolti da HST. Si tratta dell'osservazione di una supernova che dimostra la relazione di queste gigantesche esplosioni con il fenomeno dei
gamma ray burst.
19 agosto 2015: scadenza della prossima
call for proposal, il "concorso" pubblico annuale attraverso il quale viene deciso quali astronomi avranno il diritto di sfruttare il tempo di osservazione ai vari strumenti di HST. Attraverso questi cicli di osservazione – in questo caso il ciclo 23 –
chiunque può ottenere del tempo di osservazione su HST per una o più orbite. Tutte le domande ricevute verranno esaminate da un TAC (
Time Allocation Committee) formato da una squadra internazionale di astronomi che deciderà, secondo criteri rigorosi, quali siano le più meritevoli e assegnerà di conseguenza il tempo di osservazione. In genere viene accettato un quinto delle proposte ricevute. Contrariamente a certe semplificazioni cinematografiche, questo è il modo in cui oggi opera quasi ognuno dei grandi osservatori esistenti. Altro punto da ricordare: i dati acquisiti da HST rimangono a disposizione esclusiva del proponente per un anno. Dopo questo periodo, sono a disposizione di chiunque voglia utilizzarli attraverso l'archivio online
MAST.
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| Tutte le osservazioni eseguite da HST in 25 anni [credit: NASA/MAST] |
Il futuro di HST
2030-2040: prima o poi, a causa dell'attrito aerodinamico residuo, HST rientrerà nell'atmosfera terrestre disintegrandosi. Con una missione dedicata si potrebbe riportarlo alla quota orbitale iniziale, ma è difficile che ciò accada, in quanto tutte le risorse disponibili sono destinate ormai al
James Webb Space Telescope. Questo enorme telescopio, in grave ritardo e assai più costoso del previsto, orbiterà a grande distanza dalla Terra (circa 1,5 milioni di km, nel punto di Lagrange L2), rendendo un'eventuale manutenzione, per il quale non è stato progettato, assai più complicata e rischiosa. La sua vita sarà comunque limitata da alcuni componenti a 10-15 anni. Va inoltre considerato che anche se molto più potente di HST, JWST non sarà un suo vero successore, in quanto lavora a lunghezze d'onda diverse: visibile e vicino infrarosso.
HST rimarrà per questo, in un certo ambito, ineguagliato. Almeno per i prossimi decenni.
Fonti
Lagerstom, J., 2010, IFLA Conf. Proceedings Series
Calcolatore di inflazione: http://www.calculator.net/inflation-calculator.html
NASA: http://history.nasa.gov/hubble/, http://history.msfc.nasa.gov, http://www.nasa.gov, http://hubblesite.org
National Academies Press: http://www.nap.edu
STScI: http://archive.stsci.edu, http://www.spacetelescope.org, http://hubblesite.org
Allen Report: 1990, http://www.ssl.berkeley.edu/~mlampton/AllenReportHST.pdf
Los Angeles Time: http://articles.latimes.com
www.space.com
www.swapsale.com
