Illustrazione di Euclid. Crediti: Esa – Cc By-S 3.0 Igo
La missione Euclid dell’Agenzia spaziale europea (Esa), che circa un mese fa ha iniziato la sua campagna scientifica, deve ora fronteggiare una nuova sfida prima di poter affrontare i misteri dell’universo oscuro: il ghiaccio. Un finissimo strato di ghiaccio, spesso da pochi nanometri a qualche decina di nanometri. Un po’ come la brina che si forma sul parabrezza delle auto in inverno, ma molto più sottile. Un sottilissimo strato di ghiaccio, dicevamo, si è posato sugli specchi del telescopio, offuscando la visione del potente occhio spaziale e mettendo a rischio la sua capacità di scandagliare il cielo per misurare la forma e precisione di miliardi di galassie con precisione inaudita.
Non è la prima volta che si verifica questo problema: del ghiaccio sui sistemi ottici era stato riscontrato – e in seguito rimosso – anche per Gaia, la sonda dell’Esa che sta mappando le stelle della Via Lattea e che, come Euclid, si trova nel punto lagrangiano L2, a un milione e mezzo di chilometri da Terra. Qui, eventuali molecole d’acqua assorbite dalle componenti di un veicolo spaziale durante le fasi di assemblaggio pre-lancio, vengono rilasciate verso l’esterno, dove però tendono ad accumularsi sulle superfici che incontrano.
Nel caso di Euclid, a lanciare l’allarme è stata una lieve ma progressiva diminuzione della quantità di luce proveniente dalle stelle osservate con Vis, uno dei due strumenti a bordo del satellite. «Abbiamo confrontato la luce stellare che arriva attraverso lo strumento Vis con la luminosità delle stesse stelle registrata in tempi precedenti, sia con Euclid che con Gaia», chiarisce Mischa Schirmer del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, in Germania, che si occupa della calibrazione dei dati per il consorzio Euclid. «Ci sono stelle nell’universo che variano in luminosità, ma la maggior parte rimane stabile per molti milioni di anni. Quando i nostri strumenti hanno iniziato a rilevare un debole e graduale declino dei fotoni in arrivo, abbiamo capito che il motivo non erano loro, ma eravamo noi».
In previsione di questa eventualità, era già stata svolta una campagna poco dopo il lancio di Euclid, utilizzando sia i radiatori di bordo che la fonte di calore per eccellenza: il Sole. A partire dal 4 luglio scorso, per ben novantasei ore di fila, Euclid era stato puntato verso il Sole per far sublimare le molecole d’acqua rimaste in prossimità del satellite e tentare di eliminare questa fonte di contaminazione. Eppure una frazione di acqua deve essere sopravvissuta all’interno dell’isolante multistrato, e viene ora lentamente rilasciata nello spazio. Si tratta di una quantità minuscola: appena qualche strato di molecole congelate, dallo spessore pari alla larghezza di un filamento di Dna. Impercettibile a molti, ma non ai sensibilissimi strumenti di Euclid. Per poter raggiungere gli ambiziosi obiettivi della missione che, dalle misure di miliardi di galassie, punta a comprendere la natura delle enigmatiche materia ed energia oscure che permeano l’universo e ne determinano l’evoluzione, questo ghiaccio va decisamente rimosso.
Test in laboratorio per studiare l’effetto del ghiaccio sulle ottiche di Euclid presso la Yuta vacuum facility al centro Estec dell’Esa in Olanda. Crediti: Esa
Dopo una lunga fase di ricerca e calibrazione, con tanto di esperimenti in laboratorio per studiare la diffrazione e riflessione della luce da parte di sottili strati di ghiaccio sugli specchi – un argomento poco coperto dalla letteratura scientifica – è stato elaborato un piano per capire dove si trova il ghiaccio nel sistema ottico di Euclid e mitigarne l’impatto, sia nella fase attuale che in futuro, nel caso continui ad accumularsi.
L’opzione più semplice sarebbe riscaldare l’intero veicolo spaziale, accendendo tutti i radiatori di bordo per diversi giorni e aumentando lentamente la temperatura da circa -140 °C fino ad appena -3 °C in alcuni punti del satellite. In questo modo si rimuoverebbe il ghiaccio dalle ottiche, ma si riscalderebbe anche l’intera struttura meccanica, con il rischio di introdurre piccole deformazioni all’allineamento del sistema ottico. Una missione come Euclid ha invece bisogno di estrema stabilità termica. Per limitare gli sbalzi termici, dunque, si inizierà riscaldando individualmente le parti ottiche a basso rischio, situate in aree in cui è improbabile che l’acqua rilasciata contamini altre componenti. Si parte con due specchi di Euclid che possono essere riscaldati in modo indipendente. Se la perdita di luce dovesse persistere e avere un impatto sulle osservazioni scientifiche, si andrà avanti riscaldando altri gruppi di specchi.
È la prima volta che si esegue una procedura simile: il team ha ragionevole cognizione di quali siano le superfici intaccate dal ghiaccio, ma la certezza arriverà solo dopo l’operazione di riscaldamento. «Una volta isolata l’area interessata, la speranza è che in futuro potremo semplicemente riscaldare questa parte isolata della sonda a seconda delle necessità», aggiunge Schirmer, uno dei principali artefici del piano di decontaminazione. Piccole quantità di acqua continueranno a essere rilasciate all’interno di Euclid per l’intera durata della missione, quindi è necessario trovare una soluzione a lungo termine per “sbrinare” regolarmente le sue ottiche.
«È probabile che all’inizio non ci fosse ghiaccio sulle superfici ottiche di Euclid: ovvero, la procedura applicata durante il raffreddamento iniziale ha funzionato», spiega a Media Inaf Pierre Ferruit, Euclid mission manager dell’Esa. «Quello che è stato rilevato è un progressivo accumulo di ghiaccio su una o più superfici ottiche nel corso del tempo».
Questo rischio era presente anche per il James Webb Space Telescope (Jwst), che pure si trova nelle gelide “lande” di L2 insieme a Euclid e Gaia. Eppure non c’è alcuna indicazione della presenza di ghiaccio sulle superfici ottiche di Jwst, né subito dopo il lancio né da allora. Come mai?
«Il rischio di contaminazione da ghiaccio era presente per Jwst ed è stato preso molto sul serio come per tutte le missioni criogeniche (come Euclid). Una tipica procedura di mitigazione per questo tipo di rischio», prosegue Ferruit, «è quella di controllare attentamente il tempo di raffreddamento iniziale dopo il lancio per garantire che gli elementi ottici critici rimangano più caldi rispetto all’ambiente circostante durante il raffreddamento e che, finché le temperature non diventano sufficientemente basse, le molecole d’acqua non si “muovano” più. Questo è stato implementato in entrambe le missioni. È estremamente difficile confrontare missioni che hanno dimensioni e geometria molto diverse e utilizzano anche materiali molto diversi. Le lezioni apprese da Gaia e Jwst sono state comunicate al team di Euclid e sono state prese in considerazione. In sistemi così complessi non è possibile modellare, prevedere e testare tutto quindi, anche dopo aver tenuto conto di tutte queste esperienze pregresse e aver applicato le mitigazioni standard per il rischio di contaminazione da ghiaccio, una piccolissima quantità di acqua – ricordate, stiamo parlando di pochi nanometri di ghiaccio! – è arrivata su una o più superfici delle ottiche di Euclid. Per fortuna, visto che non è mai possibile eliminare completamente il rischio, ci sono sempre dei modi per riscaldare Euclid per intero oppure, in maniera più selettiva, i singoli specchi».
Aggiornamento del 20 marzo. L’Esa ha comunicato attraverso il proprio sito che le operazioni per lo “sbrinamento” di Euclid stanno avendo esito positivo. Un’analisi preliminare dei dati conferma l’approccio ideato dal team; è in corso un’analisi più approfondita dei risultati, seguirà un aggiornamento più dettagliato nei prossimi giorni.