Il telescopio spaziale Euclid prende forma
La missione Euclid dell'ESA ha raggiunto un altro traguardo nel suo percorso verso il lancio. I suoi due strumenti sono stati costruiti e testati a pieno. Sono stati consegnati a Airbus Defence & Space a Tolosa, Francia, dove saranno ora integrati con il telescopio per formare il modulo del carico utile della missione.
Euclid è composto da uno specchio per telescopio da 1,2 metri che è progettato per lavorare alle lunghezze d'onda visibile e vicino infrarosso – quest'ultima essendo poco più lunga della luce rossa che l'uomo può vedere. Il telescopio raccoglierà luce da oggetti cosmici distanti e la invierà ai due strumenti.
Gli strumenti VIS (Visibible instrument, strumento del visibile) e NISP (Near Infrared Spectrometer and Photometer, spettrometro del vicino infrarosso e fotometro), funzioneranno in parallelo, registrando dati in contemporanea da qualsiasi porzione del cielo verso cui il telescopio è puntato.
Il compito di Euclid è di misurare le forme di oltre un miliardo di galassie, e i precisi spostamenti verso il rosso (redshift) di decine di milioni di galassie in oltre un terzo del cielo. Lo spostamento del rosso o redfshift è un effetto causato dall'espansione dell'Universo. Incrementa la lunghezza d'onda della luce emessa da galassie lontane; più lontana la galassia, maggiore è lo spostamento verso il rosso. Le galassie nel sondaggio di Euclid coprono 10 miliardi di anni di storia cosmica, e permettono agli scienziati di indagare sulla misteriosa materia oscura e sull'energia oscura, che si pensa dominino l'Universo.
Lo strumento VIS gestirà le precise misurazioni delle forme delle galassie acquisendo le migliori immagini possibili di galassie lontane. Per fare ciò, lo strumento utilizza un mosaico di 36 CCDs, ciascuno dei quali contiene 4.000 x 4.000 pixel. Questo fornisce al rilevatore un totale di circa 600 mexapixel.
"La progettazione, sviluppo, realizzazione, collaudo e calibrazione dello strumento VIS nel corso di una dozzina di anni secondo una rigorosa specifica, sono stati una sfida", commenta Mark Cropper, capo dello strumento VIS e Professore presso UCL Mullard Space Science Laboratory, Regno Unito.
"Siamo immensamente orgogliosi di ciò che il VIS Team ha raggiunto per portare questo progetto al suo apice. Che la prestazione finale ecceda le nostre aspettative è un tributo alla loro competenza, dedizione e professionalità".
Non solo il numero di pixel è impressionante, lo strumento fornirà anche la migliore sensibilità con scarsa illuminazione su una vasta gamma di lunghezze d'onda con lunghi tempi di integrazione.
"Questi sono dei CCD molto speciali, sono stati sviluppati in molti anni espressamente per Euclid", commenta Alex Short, ingegnere del carico VIS dell'ESA.
L'altro strumento, NISP, è dedicato alle misurazioni spettroscopiche delle galassie, che comprende la suddivisione della luce in lunghezze d'onda individuali. Ciò permette di sottrarre i 'redshift'. Questa proprietà permette ai cosmologi di stimare la distanza dalla galassia in questione, e consentirà ai dati di Euclid di essere trasformati nel più grande, più accurato, sondaggio 3D dell'Universo mai condotto.
"La squadra di lavoro internazionale di NISP e le industrie di sostegno hanno fatto un incredibile lavoro nel progettare, sviluppare e testare questo intraprendente strumento", commenta Thierry Maciaszek, responsabile di progetto dello strumento NISP per CNES e Laboratoire D'Astrophysique di Marsiglia, Francia.
"Questa, tuttavia, non è la fine della storia per noi poiché molte attività principali devono essere completate su NISP a livello satellitare. Attendiamo con impazienza la prima luce in volo per dimostrare le eccellenti prestazioni globali".
"Il rilevatore NISP sarà dotato del più grande campo di veduta dallo spazio per uno strumento a infrarosso".
"La qualità dell'ottica è semplicemente impressionante", aggiunge Tobias Boenke, Ingegnere di Sistema di Missione e dello strumento NISP presso ESA.
Un fattore chiave per ottenere l'eccezionale precisione ottica di Euclid è stata una decisione, presa agli inizi della storia del progetto, di costruire l'intero modulo di carico utile in carburo di silicio. L'utilizzo di questo materiale in ESA è stato pionieristico nella costruzione del telescopio per la missione spaziale Herschel. Per la missione Gaia dell'ESA, la struttura di supporto per i sottosistemi del veicolo spaziale era montata su una intelaiatura di carburo di silicio. Su Euclid, il materiale è stato utilizzato per gli strumenti come pure per il telescopio.
Laddove il metallo si espande e si contrae con il cambio di temperatura, degradando di conseguenza l'abilità ottica del sistema a focalizzare la luce, il carburo di silicio è estremamente stabile a tali variazioni di temperatura. Ma utilizzare il composto presenta le sue sfide. Il carburo di silicio è una ceramica e pertanto è molto più fragile del metallo.
"Essere in grado di costruire gli strumenti da questo materiale e assicurarci che non si danneggiassero durante il lancio è stata una grossa sfida", aggiunge Tobias Boenke.
Così come VIS, anche NISP utilizza rilevatori all'avanguardia appositamente progettati per registrare la debole luce proveniente da stelle e galassie lontane. Al contrario di VIS, NISP può anche lavorare in modalità spettrografica. I rilevatori, che funzionano a –180°C per fornire pochissimo rumore e alta sensibilità, registrano questi 'spettri' e li convertono in piccolissimi segnali elettronici. Questi segnali possono quindi essere amplificati e misurati con precisione per fornire lo spostamento verso il rosso fotometrico e spettroscopico.
Gli strumenti riceveranno luce dal telescopio di Euclid, che è gia stato assemblato presso Airbus a Tolosa. Come per gli strumenti, anche questo è ricavato da carburo di silicio ed è una costruzione allo stato dell'arte sotto tutti i punti di vista.
"Stiamo spingendo tutti i livelli di produzione al limite", commenta Luis Miguel Gaspar Venancio, Ingegnere delle Prestazioni di Missione e dei Sistemi Ottici all'ESA.
Un componente speciale dietro il telescopio, chiamato dicroico, separa la luce raccolta e devia le lunghezze d'onda visibili a VIS, e le lunghezze d'onda all'infrarosso a NISP.
Quando le informazioni da VIS e da NISP vengono combinate, gli scienziati saranno in grado di dedurre il modo in cui la distribuzione su larga scala delle strutture galattiche dell'Universo si è sviluppata nel corso della storia cosmica. Questo li aiuterà a determinare la velocità alla quale tali strutture crescono, fornendo forti legami sulla natura e sulla quantità di materia oscura e di energia oscura nell'Universo.
Gli strumenti sono stati preparati per la consegna ad Airbus poco prima che la pandemia di COVID-19 imponesse restrizioni e misure di contenimento in molti Stati Membri dell'ESA. Fortunatamente, VIS era già presso Airbus, e NISP ha dovuto attendere poche settimane per la spedizione da Marsiglia a Tolosa, ma non era in un percorso critico.
"Sono molto grato a tutti i partecipanti al progetto: istituti, industria e colleghi all'ESA per la loro dedizione e il loro impegno durante questi momenti difficili", commenta Giuseppe Racca, responsabile di progetto dell'ESA per Euclid.
"Siamo stati colpiti dalla pandemia in un momento particolarmente critico in cui sia VIS che NISP dovevano essere trasferiti all'industria. Nonostante le restrizioni sul lavoro e sui viaggi, uno sforzo concertato di tutte le parti ha permesso di ridurre al minimo i ritardi incrementando le attività di integrazione distribuita e sequenziale delle unità strumentali e il monitoraggio remoto".
Ora che gli strumenti sono stati consegnati a Airbus, saranno integrati prima con il telescopio, e successivamente con il resto del modulo del carico utile. È stato un lungo viaggio arrivare fin qui. La missione Euclid è stata selezionata per l'implementazione nel 2011, avendo già superato quasi cinque anni di studi. Benché ci siano ancora molto lavoro e molti test da fare, la consegna degli strumenti e del telescopio significa che il veicolo spaziale sta veramente cominciando a prendere forma.
"Alla fine, abbiamo qualcosa davanti ai nostri occhi", commenta Luis Miguel. "Non è più soltanto carta. È un fantastico pezzo di hardware; bellissimo in un certo modo".
L'integrazione del modulo del carico utile durerà diversi mesi poiché è un lavoro meticoloso mettere tutto insieme, precisamente allineato e elettronicamente funzionante. Le unità di controllo dello strumento sono state già integrate meccanicamente ed elettricamente al modulo del carico utile. Questi test hanno appurato che gli strumenti possono essere correttamente alimentati dal veicolo spaziale, che possono comunicare con i computer di bordo, e che possono trasmettere dati scientifici che saranno poi scaricati a terra grazie alle antenne della sonda.
Non appena il telescopio sarà integrato con il resto del modulo del carico utile, verrà spedito al Centro Spaziale di Liegi, Belgio, per un test 'end-to-end' in una camera a vuoto termico che può simulare le condizioni dello spazio al meglio di quanto possibile sulla Terra. Questo test è previsto per febbraio e marzo 2021.
Una volta che tale test avrà dimostrato che tutto funziona come previsto, il modulo del carico utile sarà spedito al contraente primario, Thales Alenia Space (TAS), a Torino. Thales Alenia Space ha costruito il modulo di servizio, che contiene sistemi essenziali quali alimentazione, propulsione e comunicazioni.
La struttura principale del modulo di servizio ha recentemente superato i testi strutturali e termici ed è ora pronta per l'integrazione dei vari sistemi. TAS comincerà stendendo le tubazioni per i sistemi di propulsione e il cablaggio per altri sistemi distribuiti. L'elettronica di volo, compresi computer, unità di alimentazione e unità di controllo dell'assetto, sono già montati sui rispettivi pannelli strutturali e questi verranno ora installati all'interno della struttura principale. L'integrazione dovrebbe essere completata nel terzo trimestre dell'anno, quando verranno eseguiti i test.
TAS integrerà quindi il modulo del carico utile con il modulo di servizio per formare il veicolo spaziale finale, finito. Poi, un altro ciclo di test assicurerà che tutto funzioni perfettamente, insieme. A questo punto, il veicolo spaziale sarà essenzialmente completato, e pronto per il lancio.
Il lancio è attualmente previsto per la seconda metà del 2022 dalla base spaziale europea a Kourou, nella Guyana francese.
Note per i redattori
Euclid è una missione spaziale astronomica e astrofisica dell'ESA di classe media. Facendo uso sia della lente gravitazionale debole, che misura la distorsione di galassie lontane causata dalla distribuzione di materia, che delle oscillazioni acustiche barioniche, basate sulle misurazioni di gruppi di galassie, la missione acquisirà un'immagine in 3D della distribuzione in evoluzione sia della materia oscura che ordinaria (o barionica) nel cosmo. Ciò permetterà agli scienziati di ricostruire gli ultimi miliardi di anni della storia dell'espansione dell'Universo, stimando l'accelerazione causata dalla misteriosa energia oscura con una precisione a livello percentuale, e le possibili variazioni nell'accelerazione con un precisione del 10 per cento.
L'ESA ha selezionato Thales Alenia Space come appaltatore principale per la costruzione del satellite e del suo Modulo di Servizio, con Airbus Defence and Space scelta per sviluppare il Modulo del Carico Utile, compreso il telescopio. Euclid comprende due strumenti: VIS (Visible Imager) e lo spettro-fotometro dell'infrarosso vicino (NISP). Il Consorzio Euclid è una collaborazione di istituti finanziati a livello nazionale responsabili per la definizione della missione scientifica e la fornitura degli strumenti scientifici e per l'elaborazione dei dati. Lo strumento VIS è costruito da un consorzio di istituti finanziati a livello nazionale guidato dal Mullard Space Science Laboratory (MSSL), University College, Londra, Regno Unito. Lo strumento NISP è costruito da un consorzio di istituti finanziati a livello nazionale guidato da Laboratoire d'Astrophysique di Marsiglia (LAM), Francia; i suoi rivelatori sono forniti dalla NASA.
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