Questa illustrazione mostra un pallone ad alta quota che sale nella parte superiore dell’atmosfera. Quando gonfiati completamente, questi palloni hanno una larghezza di 150 metri e raggiungono un’altitudine di 40 chilometri. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa Conceptual Image Lab / Michael Lentz
Sono iniziati i lavori per una nuova ambiziosa missione che trasporterà un telescopio da 2.5 metri nella stratosfera, su un pallone. Si chiama Asthros (abbreviazione di Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) e il suo lancio è programmato nel dicembre 2023, dall’Antartide. Asthros trascorrerà circa tre settimane alla deriva delle correnti d’aria che soffiano sopra il gelido continente meridionale.
Gestito dal Jet Propulsion Laboratory della Nasa, Asthros farà osservazioni nel lontano infrarosso, ossia a lunghezze d’onda molto più lunghe di quelle visibili all’occhio umano. Per fare ciò, dovrà raggiungere un’altitudine di circa 40 chilometri – circa quattro volte più in alto rispetto agli aerei di linea commerciali. Sebbene ancora ben al di sotto del confine con lo Spazio (circa 100 chilometri sopra la superficie terrestre), sarà abbastanza in alto da osservare le lunghezze d’onda della luce, bloccate dall’atmosfera terrestre.
Il team della missione ha recentemente apportato gli ultimi ritocchi al design del carico utile, che include il telescopio, lo strumento scientifico e sottosistemi tra i quali il sistema di raffreddamento e quelli elettronici. All’inizio di agosto, gli ingegneri del Jpl inizieranno l’integrazione e i test di tali sottosistemi per verificare che funzionino come previsto.
Anche se i palloni possono sembrare una tecnologia antiquata, offrono alla Nasa vantaggi unici rispetto alle missioni terrestri o spaziali. Il Scientific Balloon Program della Nasa è operativo da 30 anni – presso il Wallops Flight Facility in Virginia – e lancia da 10 a 15 missioni all’anno, da località di tutto il mondo, a supporto di esperimenti in tutte le discipline scientifiche, nonché per fini di sviluppo tecnologico e di istruzione. Le missioni da pallone non solo hanno costi più bassi rispetto alle missioni spaziali, ma hanno anche tempi più brevi di pianificazione e implementazione, il che significa che possono accettare rischi più elevati associati all’uso di nuove tecnologie o tecnologie all’avanguardia che non hanno ancora volato nello spazio. Questi rischi possono presentarsi sotto forma di sfide tecnologiche o operative sconosciute, che possono influire sulla produzione scientifica di una missione. Grazie a questa esperienza, le missioni da pallone possono preparare il terreno per le future missioni spaziali, per raccogliere i benefici di queste nuove tecnologie per la prossima generazione di ingegneri e scienziati.
La Nebulosa della Carena, una regione di formazione stellare nella Via Lattea, è tra i quattro obiettivi scientifici che gli scienziati intendono osservare con la missione Asthros, che studierà il feedback stellare – il processo attraverso il quale le stelle influenzano la formazione stellare nel loro ambiente. Crediti: Nasa, Esa, N. Smith (Università della California, Berkeley) e altri, l’Hubble Heritage Team (Stsci / Aura)
Asthros trasporterà uno strumento per misurare il movimento e la velocità del gas attorno alle stelle di nuova formazione. Gli obiettivi scientifici principali della missione sono quattro, tra cui due regioni di formazione stellare nella Via Lattea. Inoltre, per la prima volta rileverà e mapperà la presenza di due tipi specifici di ioni di azoto, che possono rivelare zone in cui i venti provenienti da stelle massicce e da esplosioni di supernova hanno rimodellato le nubi di gas all’interno delle regioni di formazione stellare. In un processo noto come feedback stellare, queste violente esplosioni possono, nel corso di milioni di anni, disperdere il materiale circostante e impedire o fermare la formazione stellare. Ma il feedback stellare può anche causare l’accumulo di materiale, accelerando la formazione di stelle. Senza questo processo, tutto il gas e la polvere disponibili nelle galassie come la nostra si sarebbero riuniti a formare stelle, molto tempo fa.
Asthros realizzerà le prime mappe dettagliate 3D della densità, della velocità e del movimento del gas in queste regioni di formazione stellare per vedere come le stelle neonate influenzano il materiale circostante. In questo modo, il team spera di ottenere informazioni su come funziona il feedback stellare e di fornire nuovi input per affinare le simulazioni al computer dell’evoluzione della nostra galassia.
Un terzo obiettivo per Asthros sarà la galassia Messier 83. Osservando le tracce di feedback stellari, il team di Asthros otterrà una visione più approfondita del suo effetto su diversi tipi di galassie. «Credo sia chiaro che il feedback stellare sia il principale regolatore della formazione stellare nella storia dell’universo», ha affermato lo scienziato del Jpl Jorge Pineda. «Le simulazioni al computer dell’evoluzione della galassia non riescono ancora a replicare la realtà che vediamo nel cosmo. La mappatura dell’azoto che faremo con Asthros non è mai stata fatta prima, e sarà entusiasmante vedere come queste informazioni potranno rendere i modelli più accurati».
Infine, come quarto obiettivo, Asthros osserverà Tw Hydrae, una giovane stella circondata da un ampio disco di polvere e gas in cui potrebbero formarsi pianeti. Con le sue capacità uniche, Asthros misurerà la massa totale di questo disco protoplanetario e mostrerà com’è distribuita. Queste osservazioni potenzialmente sono in grado di rivelare luoghi in cui la polvere si raggruppa per formare pianeti. Imparare di più sui dischi protoplanetari potrebbe aiutare gli astronomi a capire come si formano i diversi tipi di pianeti nei giovani sistemi solari.
Per fare tutto ciò, Asthros avrà bisogno di un grande pallone: una volta gonfiato con elio, sarà largo circa 150 metri (più grande di uno stadio di calcio). Una gondola, sotto il pallone, trasporterà lo strumento e il telescopio, costituito da un’antenna parabolica da 2.5 metri, nonché da una serie di specchi, lenti e rivelatori progettati e ottimizzati per catturare la luce nel lontano infrarosso. Si tratta del più grande telescopio che abbia mai volato su un pallone ad alta quota, attualmente in costruzione presso la Media Lario S.r.l. di Lecco, in Italia. Durante il volo, gli scienziati saranno in grado di controllare con precisione la direzione di puntamento del telescopio e scaricare i dati in tempo reale, utilizzando i collegamenti satellitari.
Questo time-lapse mostra il lancio dello Stratospheric Terahertz Observatory II (Sto-2), una missione astrofisica della Nasa, avvenuto dall’Antartide nel 2016. Questi missioni su pallone ad alta quota offrono l’opportunità di osservare lunghezze d’onda della luce bloccate dall’atmosfera terrestre. Crediti: Nasa / Jpl-Caltech
Poiché gli strumenti che operano dell’infrarosso lontano devono essere tenuti a bassissime temperature, molte missioni per raffreddarli trasportano elio liquido. Asthros farà invece affidamento su un cryocooler che utilizza l’elettricità (fornita da pannelli solari) per mantenere i rilevatori superconduttori vicino a meno 268.5 gradi Celsius – di poco sopra lo zero assoluto, la temperatura più fredda che si possa raggiungere. Il cryocooler pesa molto meno del grande contenitore di elio liquido di cui Asthros avrebbe bisogno per mantenere freddo il suo strumento per l’intera missione. Ciò significa che il carico utile è considerevolmente più leggero e la durata della missione non è più limitata dalla quantità di elio liquido presente a bordo.
«Sono veramente notevoli i passi avanti fatti dalla tecnologia criogenica dei refrigeratori meccanici nell’ultima decade», commenta Gianluca Morgante, esperto dell’Inaf nei sistemi criogenici e termici degli esperimenti spaziali, che ha lavorato sette anni al Jpl per sviluppare, costruire e testare il sorption cooler del satellite Planck dell’Esa. «Ormai l’efficienza di queste macchine ha raggiunto livelli tali che anche con le poche centinaia di watt generate da un pannello solare in volo stratosferico si riesce a mantenere temperature prossime a quella dell’elio liquido per lungo tempo (anni) con un cooling power dell’ordine di decine di milliwatt. Il tutto con ingombri e masse estremamente ridotti, come richiesto dai voli su pallone o dalle missioni spaziali. In questo modo si riesce a portare a termine un esperimento in volo che altrimenti sarebbe stato praticamente impossibile da realizzare, a causa delle centinaia di litri di elio liquido – e del relativo serbatoio criogenico – necessarie al raffreddamento dei suoi rivelatori per le tre settimane richieste dalle osservazioni».
Il team prevede che il pallone completerà due o tre anelli attorno al Polo Sud in circa 21-28 giorni, trasportato dai venti stratosferici. Una volta completata la missione scientifica, gli operatori invieranno i comandi di terminazione del volo che separeranno la gondola, collegata a un paracadute. Il paracadute riporterà la gondola a terra, in modo che il telescopio possa essere recuperato, per volare di nuovo.
Rettifica del 27 novembre 2020, ore 10:00. Il gruppo di Paolo de Bernardis e Silvia Masi ha sviluppato un telescopio da pallone da 2.6 metri di apertura (quindi maggiore di quella di Asthros) – Olimpo – che ha volato per un test flight nel 2018 e ha validato un grande numero di tecnologie, inclusi i KIDs detectors. Inoltre, il criostato con 70 litri di elio liquido è stato testato dal gruppo, in laboratorio, per una durata di 20 giorni.