Il telescopio spaziale Herschel (2009-2013) ha osservato il cielo nell’infrarosso, permettendoci di ottenere un affascinante sguardo sulle prime fasi di vita delle stelle. Crediti: ESA
Lo spazio ospita oggetti meravigliosi e affascinanti, ma molto distanti da noi. Per studiarli dobbiamo dunque affidarci alla radiazione elettromagnetica che ci inviano, anche al di fuori della banda visibile. Per uno strumento come il telescopio spaziale Herschel dell’ESA, dedicato alla raccolta ed analisi della radiazione infrarossa, uno dei compiti più ardui è mantenere i propri strumenti a basse temperature, poiché questi potrebbero emettere segnali nell’infrarosso, compromettendo le osservazioni.
Gli specchi del telescopio Herschel operano a temperature inferiori a -190°C e sono costruiti con materiali speciali, ceramiche ultrastabili come il carburo di silicio. Per poter progettare le dimensioni corrette, bisogna tener conto della dilatazione termica del materiale, e quindi occorre conoscere la risposta del materiale con estrema precisione, anche a temperature molto basse. Nell’ambito del progetto dell’ESA completato di recente, un team di scienziati che lavorano presso il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, ovvero l’Istituto Nazionale di Meteorologia tedesco), ha misurato la dilatazione termica del carburo di silicio e del silicio monocristallino portandoli da -266°C a +20°C. Nella maggior parte degli intervalli di temperatura analizzati, la precisione raggiunta corrisponde ad una variazione di un miliardesimo di grado Celsius. Lo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review B, ha evidenziato che i valori di riferimento fino ad ora utilizzati per il silicio monocristallino devono essere rivisti.
I telescopi spaziali come Herschel esplorano regioni dello spettro elettromagnetico che non sarebbero altrimenti accessibili da Terra, poiché l’atmosfera assorbe gran parte delle radiazioni emesse dai corpi celesti. Conoscere con precisione la risposta termica dei materiali utilizzati per la costruzione di questi strumenti è cruciale al fine di evitare, come è accaduto in passato, che le discrepanze debbano essere rilevate una volta nello spazio, comportando ritardi nelle operazioni. Per ovviare a questi spiacevoli inconvenienti, il progetto di ricerca guidato da René Schödel ha utilizzato l’interferometro ad altissima precisione che si trova presso il PTB, grazie al quale è stato possibile misurare la lunghezza dei campioni in un’ampia gamma di temperature con una precisione del nanometro.
Questo interferometro ad alta precisione è l’unico del suo genere al mondo. Per poter effettuare misure che abbiano una precisione simile, anche senza poter contare su strumenti così completti, è possibile sfruttare i valori di riferimento dell’espansione termica come confronto. Uno dei materiali più utilizzati è proprio il silicio monocristallino, che ha una struttura reticolare continua con pochissimi difetti. Analogamente ad alcune ceramiche ultrastabili, questo materiale ha un comportamento peculiare: al di sotto di una certa temperatura, comincia ad espandersi nuovamente. Gli scienziati del PTB hanno misurato con precisione questa caratteristica dinamica, e le loro misurazioni hanno portato a nuovi valori di riferimento per il comportamento del silicio monocristallino.
I risultati ottenuti sono particolarmente importanti per le prossime missioni spaziali già pianificate, come ad esempio il James Webb Space Telescope, che lavorerà a temperature inferiori ai -220°C, o lo Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics, per il quale sono previste temperature ancora più basse.