La NASA sceglie il telescopio PRIMA per studiare l’universo nascosto nel lontano infrarosso

La NASA ha selezionato un nuovo telescopio spaziale progettato per osservare l’universo nella luce del lontano infrarosso, una gamma di lunghezze d’onda che gli osservatori esistenti non riescono a vedere efficacemente. La missione, dal costo di 1 miliardo di dollari e denominata PRIMA, sarà sviluppata e gestita dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, amministrato da Caltech.

La Probe far-Infrared Mission for Astrophysics esaminerà oggetti e processi nascosti ai telescopi per la luce visibile. L’IPAC di Caltech gestirà il centro scientifico della missione, ricevendo ed elaborando le osservazioni, conservando i dati prodotti e coordinando l’accesso degli astronomi all’osservatorio.

PRIMA è concepita per rispondere a domande su come si sviluppano le galassie e i buchi neri supermassicci, su come emergono le stelle e i sistemi planetari e su come le atmosfere planetarie acquisiscono la loro composizione. Gli scienziati la useranno anche per studiare l’origine della polvere e degli elementi più pesanti in tutto l’universo.

Una visione più fredda e nitida

Il telescopio e i suoi rivelatori saranno raffreddati a centinaia di gradi sotto zero. Abbassarne la temperatura dovrebbe sopprimere le interferenze legate al calore, che possono offuscare o sopraffare i deboli segnali provenienti da sorgenti cosmiche lontane.

La NASA afferma che il progetto dovrebbe rendere PRIMA molto più sensibile delle precedenti missioni nel lontano infrarosso, producendo al contempo immagini insolitamente dettagliate. L’osservatorio coprirà lunghezze d’onda da 24 a 235 micrometri. L’estremo più corto corrisponde a circa un terzo dello spessore di un capello umano; le lunghezze d’onda maggiori equivalgono all’incirca a due fogli di carta sovrapposti.

Un telescopio da 1,8 metri raffreddato criogenicamente alimenterà due strumenti principali. PRIMAger userà la polarimetria per immagini per esaminare ampie aree del cielo, mentre FIRESS fornirà spettroscopia ad alta risoluzione e multimodale. Insieme, gli strumenti consentiranno ai ricercatori di studiare sia la posizione degli oggetti lontani sia le informazioni fisiche e chimiche codificate nella loro luce.

Tra gli obiettivi della missione figurano la nascita delle stelle e dei sistemi planetari, i cambiamenti nelle proprietà delle galassie nel corso della storia cosmica, le atmosfere degli esopianeti e i corpi all’interno del nostro sistema solare. Nicky Fox, amministratrice associata della NASA, ha descritto PRIMA come un nuovo modo per studiare la formazione di pianeti, stelle e buchi neri, nonché la storia dell’acqua sulla Terra.

Una nuova categoria di missioni

PRIMA sarà la prima missione di astrofisica della NASA appartenente alla classe delle probe. La categoria è stata raccomandata dall’Astro 2020 Decadal Survey, guidato dalla fisica di Caltech Fiona Harrison. Le missioni probe sono concepite per collocarsi a metà strada tra le missioni Explorer più piccole, come SPHEREx, e i grandi osservatori di punta, tra cui il Nancy Grace Roman Space Telescope.

Il JPL supervisionerà l’architettura della missione e l’ingegneria dei sistemi e integrerà il veicolo spaziale con il suo carico scientifico. Caltech e JPL hanno partecipato alla definizione del concept e allo sviluppo tecnologico di PRIMA, facendo leva su decenni di lavoro nell’astronomia infrarossa.

L’osservatorio si affiderà a rivelatori a induttanza cinetica a microonde superconduttivi, noti anche come MKID o KID. Il fisico di Caltech Jonas Zmuidzinas e l’ingegnere del JPL Rick LeDuc svilupparono questa tecnologia nel 1999. Secondo l’università, i primi lavori sull’uso di materiali superconduttori per rilevare la radiazione del lontano infrarosso iniziarono informalmente in una caffetteria vicino a Caltech.

I rivelatori furono testati presso il Caltech Submillimeter Observatory alle Hawaii, oggi chiuso, nel 2007, e in seguito volarono su strumenti a terra e su palloni stratosferici. Negli ultimi cinque anni, ricercatori di Caltech, JPL e Microdevices Laboratory del JPL hanno lavorato per migliorare la sensibilità degli array e renderli abbastanza robusti per il volo spaziale. Gli array prototipo hanno ora dimostrato il livello di prontezza richiesto da PRIMA.

Zmuidzinas ha affermato che il lungo sviluppo della tecnologia ha creato l’opportunità per un notevole aumento della sensibilità in una parte dello spettro relativamente poco esplorata. Caltech ha dichiarato che il miglioramento previsto potrebbe essere di circa mille volte.

Dati per l’intera comunità astronomica

L’IPAC sosterrà la pianificazione della missione, la programmazione delle osservazioni, la calibrazione e l’elaborazione dei dati. Le osservazioni del telescopio saranno conservate nell’Infrared Science Archive, che contiene già dati provenienti da più di 20 missioni della NASA.

Il centro attingerà all’esperienza maturata con missioni tra cui lo Spitzer Space Telescope della NASA, operativo dal 2003 al 2020, SPHEREx della NASA e l’osservatorio Herschel dell’Agenzia spaziale europea. L’IPAC ha inoltre supportato osservatori sulla Terra, sviluppando competenze che saranno applicate alle operazioni di PRIMA.

Una volta che l’osservatorio sarà operativo a pieno regime, si prevede che circa il 75 per cento del suo tempo di osservazione sarà assegnato attraverso proposte sottoposte a revisione paritaria dalla comunità scientifica più ampia. Più di 400 astronomi hanno già presentato quasi 200 proposte di utilizzo dei dati di PRIMA.

Un ambito di interesse è lo studio dei deflussi molecolari provenienti dalle galassie. Questi flussi di materia possono accompagnare periodi di intensa formazione stellare o di attività del buco nero centrale di una galassia e possono influenzare la crescita delle galassie. Herschel ha osservato deflussi di questo tipo in un numero limitato di galassie vicine; PRIMA è concepita per estendere questo genere di ricerca a un intervallo molto più ampio della storia cosmica.