Telescopio spaziale Hubble

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Caratteristiche fisiche

Il Telescopio spaziale Hubble visto dallo Space Shuttle Discovery durante la seconda missione di servizio, STS-82
Organizzazione	NASA/ESA
Lunghezza d'onda coperta	Ottico, ultravioletto, vicino infrarosso
Tipo di orbita	Circolare
Altezza dell'orbita	600 km)
Periodo orbitale	96-97 min
Velocità orbitale	7,500 m/s
Accelerazione di gravità	8.169 m/s²
Momento angolare	5.28×10¹⁰ m²/s
Data di lancio	24 aprile 1990
Fine della missione	intorno al 2010
Massa	11 Tonnellate)
Sito internet	http://hubble.nasa.gov http://hubblesite.org http://www.spacetelescope.org
Montatura	Ritchey-Chretien riflettore
Diametro	2,4 m (94 in)
Lunghezza focale effettiva	57.6 m

Il telescopio spaziale Hubble (abbreviato in HST dalle iniziali del nome inglese, o anche semplicemente Hubble) è un telescopio posto negli strati esterni dell'atmosfera terrestre, a circa 600 chilometri di altezza, in orbita attorno alla Terra (ogni orbita dura circa 92 minuti). È stato lanciato il 24 aprile 1990 con lo Space Shuttle Discovery come progetto comune della NASA e dell'Agenzia Spaziale Europea.

Il telescopio può arrivare ad una risoluzione angolare migliore di 0,1 secondi d'arco. L'HST è così chiamato in onore di Edwin Hubble, astronomo americano. È prevista la sua sostituzione con il Telescopio Spaziale di Nuova Generazione (NGST) nel 2009.

Osservare fuori dall'atmosfera comporta numerosi vantaggi, perché l'atmosfera distorce le immagini e filtra la radiazione elettromagnetica a certe lunghezze d'onda, in particolare nell'infrarosso.

[modifica] Descrizione tecnica

Il telescopio pesa circa 11 tonnellate, è lungo 13,2 metri, ha un diametro massimo di 4,2 metri ed è costato 2 miliardi di dollari. Si tratta di un riflettore con due specchi in configurazione Ritchey-Crétien. Lo specchio primario è uno specchio parabolico concavo di 2,4 metri di diametro, che rinvia la luce su uno specchio iperbolico convesso di circa 50 centimetri di diametro. La distanza fra i vertici dei due specchi è di 4,9 metri. Approssimando i due specchi come sferici, si può calcolare il punto di formazione del fuoco Cassegrain, ottenendo che l'immagine si forma circa 1,5 metri dietro il primario.

Due pannelli solari generano l'elettricità, che serve principalmente per alimentare le fotocamere e i tre giroscopi usati per orientare e stabilizzare il telescopio. In 15 anni di carriera Hubble ha ripreso più di 700.000 immagini astronomiche.

[modifica] Lancio e problemi iniziali

Due immagini che mostrano la correzione del problema ottico iniziale

Il telescopio fu lanciato dalla missione Shuttle STS-31 il 24 aprile 1990. Si trattò in realtà di un rinvio del lancio originale previsto nel 1986, rimandato a causa del disastro del Challenger nel Gennaio di quell'anno.

Le prime immagini prese dal telescopio causarono grande sconforto tra gli astronomi e tutti i partecipanti al progetto: erano fortemente distorte e fuori fuoco, e nonostante lunghi processamenti al computer non potevano arrivare alla risoluzione prevista. Fu trovato che la Hughes corporation aveva lavorato lo specchio principale senza tener conto che sarebbe stato usato nel vuoto e non in aria. La differenza di indice di rifrazione, appena 1,0003, bastò a generare il problema. Un altro specchio identico era stato costruito da un'altra azienda, e non soffriva di questo problema, ma sfortuna volle che fu proprio il primo ad essere lanciato.

Il problema fu risolto durante la prima missione di servizio, che installò un'ottica correttiva e restituì al telescopio la qualità ottica prevista in origine.

[modifica] Strumentazione scientifica

[modifica] Camera planetaria a grande campo

Saturno

L'originale Wide Field/Planetary Camera (WF/PC1) fu sostituita con la Wide Field/Planetary Camera 2 (WF/PC2) durante la prima missione del dicembre 1993. la WF/PC2 (pronuncia uìff-pic) era uno strumento di scorta sviluppato nel 1985 dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) di Pasadena (California). Gli specchi secondari della WF/PC2 sono affetti da un errore uguale e contrario a quello dello specchio principale, in modo da compensarsi a vicenda. (Lo specchio primario dell'HST è di 2 micron troppo piatto verso il bordo, così le ottiche correttive della WF/PC2 sono deformate della stessa quantità ma in modo contrario).

Il 'cuore' della WF/PC2 consiste in un trio di sensori a largo campo a forma di L e in un sensore per riprese di pianeti ad alta risoluzione, che va ad occupare l'angolo rimanente. Una prossima missione dello Shuttle dovrebbe sostituire la WF/PC2 con il nuovo strumento WFC3 (Wide Field Camera 3), dall'analogo scopo ma con migliori prestazioni.

[modifica] Spettrografo del Telescopio Spaziale (STIS)

Uno spettrografo scompone la luce raccolta da un telescopio nelle varie frequenze che la compongono, in modo da poterla analizzare. Lo studio dello spettro fornisce alcune importanti proprietà di un corpo celeste, quali la composizione chimica qualitativa e quantitativa, la temperatura, la velocità radiale, la velocità di rotazione e i campi magnetici. Lo STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) può studiare le radiazioni prodotte dai corpi celesti comprese tra la lunghezza d'onda dell'ultravioletto (115 nm) e quella del vicino infrarosso (1000 nm). Lo strumento utilizza tre rilevatori, fotocatodi Multi-Anode Microchannel Array (MAMA). Il campo visivo per ciascun MAMA è di 25x25 secondi d'arco mentre il campo del CCD è di 50x50 secondi d'arco.

Il principale vantaggio dello STIS è la sua capacità bidimensionale rispetto a quella unidimensionale di un normale spettroscopio. Ad esempio è possibile rilevare simultaneamente lo spettro di diversi punti di una galassia, invece di eseguire una rilevazione alla volta di ciascun punto. Lo STIS può anche rilevare in una sola volta una serie di varie lunghezze d'onda dello spettro di una stella. Attualmente (febbraio 2006), lo spettrografo STIS non è funzionante.

[modifica] Camera infrarossa e Spettrometro multi-oggetto (NICMOS)

Un "bozzolo" stellare

Il NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) è uno strumento in grado di eseguire sia osservazioni nell'infrarosso, che osservazioni spettroscopiche di oggetti astronomici. È sensibile alla radiazione con lunghezza d'onda compresa tra 0,8 e 2,5 micron, oltre il limite della sensibilità dell'occhio umano. La matrice sensibile che costituisce i rilevatori dell'infrarosso nel NICMOS deve operare a temperature molto basse. Il NICMOS mantiene i suoi rilevatori a bassa temperatura all'interno di un condensatore criogenico (un contenitore termicamente isolato simile a una bottiglia "thermos") che contiene ghiaccio di azoto. Per funzionare correttamente la camera infrarossa deve essere raffreddata a -180 °C, e il condensatore mantiene freddi i detector per anni, più a lungo che in qualsiasi altro esperimento spaziale.

[modifica] Camera per oggetti deboli (FOC)

La FOC (Faint Object Camera) è stata costruita dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA). Ci sono due sistemi completi di rilevazione nel FOC. Ciascuno di essi utilizza un tubo di intensificazione di immagini per produrre una immagine in uno schermo a fosfori che è 100.000 volte più luminoso della luce che riceve. L'immagine viene poi scandita da una sensibile camera televisiva a silicio elettrobombardato (EBS). Questo sistema è così sensibile che oggetti con magnitudine inferiore a 21 devono essere schermati con un sistema di filtri per evitare la saturazione dei rilevatori!

[modifica] Ottiche correttive assiali (COSTAR)

Il COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) non è uno strumento scientifico: è un pacchetto di ottiche correttive che fu utilizzato per annullare il difetto dello specchio principale, a favore dello strumento per oggetti deboli (FOC). Per la sua installazione è stato necessario rimuovere il fotometro ad alta velocità (High Speed Photometer) durante la prima missione di servizio. Una prossima missione dello Shuttle dovrebbe sostituire il COSTAR con il nuovo strumento COS (Cosmic Origin Spectrograph).

[modifica] Operazioni e osservazioni

La nebulosa Occhio di gatto

Sebbene l'HST sia sempre operativo, non tutto il suo tempo è impiegato per le osservazioni. Ogni orbita dura circa 97 minuti e il tempo viene suddiviso tra le funzioni di gestione e l'osservazione. Le funzioni di gestione includono la rotazione del telescopio per puntare un nuovo obiettivo, per evitare la Luna ed il Sole, commutare le antenne di comunicazione e le modalità di trasmissione, ricevere comandi di trasmissione dati, calibrare i sistemi e via dicendo.

Quando l'STScI completa il suo piano di osservazione principale, il programma viene inviato al Goddard's Space Telescope Operations Control Center (STOCC) dove i piani scientifici e di gestione vengono incorporati in un dettagliato programma di operazioni.

Ciascun evento viene tradotto in una serie di comandi da inviare ai computer di bordo. I comandi vengono inviati diverse volte al giorno per far sì che il telescopio operi efficientemente. Quando è possibile vengono usati contemporaneamente due strumenti scientifici per osservare regioni adiacenti del cielo. Per esempio, mentre lo spettrografo è focalizzato su una stella o una nebulosa scelta come bersaglio, il WF/PC2 può riprendere l'immagine di una regione di cielo leggermente spostata rispetto alla visuale del bersaglio. Durante l'osservazione il sensore di guida Fine Guidance Sensors (FGS) segue le loro rispettive stelle guida per mantenere il telescopio fermamente puntato verso l'obiettivo giusto.

Se un astronomo desidera essere presente durante l'osservazione, c'è un terminale allo STScI e un altro allo STOCC dove i monitor mostrano le immagini e altri dati durante l'osservazione. Da questi terminali è possibile inviare soltanto alcuni limitati comandi in tempo reale per l'acquisizione del bersaglio o per cambiare filtri, se il programma di osservazione lo prevede, ma non sono consentiti altri controlli arbitrari. I dati tecnici e scientifici dell'HST, come pure le trasmissioni di comandi operativi, sono inviati per mezzo del sistema Tracking Data Relay Satellite (TDRS) e della stazione a terra collegata ad esso a White Sands nel Nuovo Messico. Il computer di bordo è in grado di conservare oltre 24 ore di comandi. I dati possono essere diffusi dall'HST alla stazione a terra direttamente oppure memorizzati e trasmessi in seguito.

[modifica] Scoperte

Una lente gravitazionale scoperta da Hubble

Hubble riprese eccezionali immagini della collisione della cometa Shoemaker-Levy 9 con il pianeta Giove nel 1994.
Prove del fatto che dei pianeti siano presenti anche attorno a stelle diverse dal Sole sono state raccolte per la prima volta con Hubble.
Inoltre Hubble ha dimostrato che la materia oscura della nostra galassia non può essere formata solo da deboli stelle non ancora osservate.
Alcune osservazioni suggeriscono che il nostro Universo si trovi in uno stato di espansione accelerata.
La teoria che la maggior parte delle galassie contengono un buco nero nel loro nucleo è stata parzialmente confermata da numerose osservazioni.
Nel dicembre 1995, Hubble riprese un'immagine chiamata lo Hubble Deep Field, una regione grande un trentesimo di milionesimo del cielo notturno e contenente numerose migliaia di deboli galassie. Un'immagine dello stesso tipo fu presa poco dopo nel cielo australe e risultò molto simile, rafforzando l'ipotesi che l'Universo sia uniforme su vasta scala, e che la Terra occupi un posto come gli altri nell'Universo.
(EN) Altre osservazioni

[modifica] Missioni di servizio

L'Hubble agganciato allo Shuttle per manutenzione

Il telescopio è stato visitato numerose volte da astronauti in passeggiata spaziale da uno Shuttle. Queste missioni erano state previste fin dall'inizio come manutenzione periodica, per riparare eventuali guasti e per installare nuovi componenti. Inoltre, a causa della frizione con l'atmosfera, il telescopio perde lentamente quota nel tempo. Lo shuttle lo riporta in un'orbita più alta ogni volta che lo visita.

La Missione di servizio 1, svolta nel dicembre 1993 (STS-61) installò alcuni strumenti e altri componenti. I più importanti furono: il COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), una serie di cinque specchi per correggere le distorsioni causate dallo specchio primario. La nuova camera planetaria e a grande campo (Wide Field/Planetary Camera, WF/PC II), una versione migliorata del precedente sensore ultravioletto che incorporava anch'essa delle ottiche di correzione. La NASA dichiarò la missione un successo il 13 gennaio 1994, e mostrò la prima di molte immagini molto migliori delle prime.

La Missione di servizio 2, svolta nel febbraio 1997 (STS-82) sostituì lo spettrografo ad alta risoluzione con il nuovo Space Telescope Imaging Spectrograph, e aggiunse una fotocamera infrarossa.

La Missione di servizio 3A, nel dicembre 1999 (STS-103) sostituì dei giroscopi e dei sensori di guida guasti, e aggiunse un nuovo computer di bordo.

La Missione di servizio 3B, nel marzo 2002 (STS-109) riparò e migliorò numerosi componenti, obbligando gli astronauti a lunghe e delicate passeggiate spaziali. Gli interventi sul telescopio furono, tra gli altri:
- Sostituzione dell'unità di alimentazione, cosa particolarmente difficile perché questo componente non era stato progettato per essere sostituito in orbita. Inoltre il telescopio dovette essere completamente spento per la prima volta da quando aveva iniziato ad osservare.
- Sostituzione dei pannelli solari. I nuovi pannelli sono derivati da quelli costruiti per i satelliti Iridium. Sono più piccoli di un terzo rispetto a quelli vecchi, diminuendo così la frizione con l'atmosfera, e forniscono il 30% di energia in più. Grazie a loro, tutti gli strumenti di Hubble possono essere accesi e funzionanti contemporaneamente.
- Sostituzione della "camera per oggetti deboli" (FOC) con la "camera avanzata per Surveys" (ACS). Entrambe hanno una dimensione simile ad una cabina telefonica.
- Installazione di un refrigeratore meccanico nella camera infrarossa, non più funzionante.

Il completamento di questa missione migliorò notevolmente le capacità di Hubble, e alcuni entusiasti sostennero che era adesso un nuovo strumento.

La Missione di servizio 4, l'ultima vista l'imminente fine della vita operativa di Hubble, originariamente prevista per il febbraio 2005 venne inizialmente annullata a causa del recente disastro dello Space Shuttle Columbia.

La NASA ha inizialmente valutato se effettuare la missione senza equipaggio, cioè in forma robotizzata, ma l'ipotesi e' stata abbandonata dati i rischi tecnici. Il 31 ottobre 2006 l'amministratore Mike Giffin ha dato il via libera per la missione di servizio, che sarà compiuta dalla missione STS-125 dello Shuttle Discovery, avrà luogo non prima del maggio 2008 e dovrebbe apportare le seguenti modifiche [1]:

Sostituzione completa dei 6 giroscopi cuore del sistema di puntamento.
Sostituzione completa delle batterie ormai prossime all'esaurimento.
Installazione della Wide Field Camera 3 al posto di WFPC2
Installazione del Cosmic Origin Spectrgraph al posto di COSTAR
Riparazione della elettronica di STIS

Non prima del 2013 è poi previsto il lancio del James Webb Space Telescope (JWST), inizialmente chiamato Next Generation Space Telescope (NGST). Sarà dotato di specchi di diametro equivalente a 6,5 metri e opererà nell'infrarosso, con l'obbiettivo principale di osservare le galassie responsabili della ri-ionizzazione dell'Universo primordiale. Sarà posizionato in un orbita molto più elevata, a circa 1,5 milioni di chilometri dal sistema Terra-Luna, in direzione opposta al Sole (secondo punto di Lagrange dell'orbita terrestre). Questa posizione offre il minimo segnale di fondo termico e quindi la massima sensibilità alla radiazione infrarossa.

[modifica] Curiosità

Per soddisfare le esigenze di puntamento dell'Hubble si dovette realizzare un nuovo catalogo stellare, il Guide Star Catalog, che è diventato di gran lunga il più completo ed accurato catalogo mai realizzato.