Telescopio spaziale Hubble
Informazioni generali
L'Hubble Space Telescope è un programma cooperativo dell'ESA (European Space Agency) e
della NASA (National Aeronautics and Space Administration) per la gestione dell'osservatorio
spaziale a lunga durata, a beneficio della comunità astronomica internazionale. L'HST è un
osservatorio concepito per la prima volta nel 1940, progettato e costruito tra il 1970 e il 1980
e divenuto finalmente operativo solo nel 1990. Fin dal suo inizio, l'HST fu progettato come un
tipo molto particolare di missione per la NASA: il fatto di essere un osservatorio permanente
implica la pianificazione di regolari missioni di servizio per riparare guasti e sostituire
apparecchiature superate dal progresso tecnologico.
Lo scopo di mandare un telescopio nello spazio è duplice:
•
•
L'atmosfera ci protegge dai pericolosi raggi cosmici e dai raggi ultravioletti provenienti
dal Sole, purtroppo però questa azione filtrante blocca radiazioni di particolare interesse
per l'astronomia, ad esempio l'ultravioletto vicino.
Dunque, per lo studio completo di un oggetto celeste, è necessario traportare gli
strumenti di misura al di sopra dell'atmosfera mediante palloni sonda o razzi.
La figura qui sotto mostra come varia la magnitudine limite in funzione della lunghezza
d'onda: l'occhio umano vede solo una parte ristretta dello spettro, e arriva al massimo
a scorgere astri di sesta magnitudine. Il più potente telescopio terrestre giunge fino alla
ventitreesima magnitudine, ma è completamente "cieco" a particolari lunghezze d'onda
(quelle bloccate dall'atmosfera). Il telescopio spaziale, invece, dato che opera al di fuori
dell'atmosfera, consente un incremento nella magnitudine limite, ma soprattutto una
visione "a tutto spettro" della volta celeste.
L'atmosfera
non
è
mai
perfettamente calma: i venti di
bassa e alta quota e le differenze di
temperatura
fanno
sì
che
le
immagini
stellari,
in
teoria
perfettamente puntiformi, vengano
distorte fino a diventare "bolle"
sempre in movimento. E' chiaro che
questo degrada pesantemente la
qualità
delle
immagini
e
la
sensibilità delle osservazioni, perché
la luce fioca delle stelle non si
concentra in un punto ma viene
sparsa tutto intorno. Il grafico
seguente illustra come è cresciuto
nel tempo, grazie ai progressi dell'ottica, il potere risolutivo, vale a dire il dettaglio più piccolo
rilevabile (si misura in frazioni di grado). Il primo grande salto avvenne nel 1610 con la
costruzione del telescopio di Galileo. Il telescopio da 5 metri di monte Palomar ha accresciuto
solo di poco il record, che è stato stracciato da HST, giungendo fino a 0.1 secondi d'arco
(1/36000 di grado). Per fare capire cosa significa, è come riuscire a vedere una moneta da 5
lire posta a 40 km di distanza ! Il telescopio Hubble ha grosso modo le dimensioni di un
autobus, ruota su se stesso ed è in grado di rimanere puntato per ore in una certa direzione
con una precisione elevatissima, grazie allo strumento FGS (sensore di guida fine). Lo specchio
principale ha un diametro di 2,4 metri. HST è stato portato in orbita dall'equipaggio dello
shuttle Discovery (STS-32) il 25 aprile 1990. La responsabilità per la direzione e il
coordinamento delle operazioni scientifiche dell'HST è in mano allo Space Telescope Science
Institute (STScI) che ha sede nella Johns Hopkins University Homewood Campus di Baltimora
(Maryland). L'STScI è gestita per la NASA dalla Association of Universities for Research in
Astronomy (AURA). Come progettato originariamente nel 1979, il programma Large Space
Telescope prevedeva un ritorno a terra,
una rimessa a nuovo e un rilancio ogni 5
anni, con un servizio in orbita di 2 anni e
mezzo. I requisiti di durata e affidabilità
degli strumenti erano basati su quei 2 anni
e mezzo di intervallo tra due successive
missioni
di
servizio.
Nel
1985
le
preoccupazioni per la contaminazione e per
il carico strutturale associati al trasporto a
terra a bordo dello shuttle hanno portato a
eliminare dal programma il concetto di
ritorno a terra. La NASA decise che il
servizio in orbita sarebbe stato adeguato per mantenere l'HST durante i suoi 15 anni di vita
previsti. Fu adottato quindi un ciclo triennale di servizio in orbita. Le due missioni di servizio
(dicembre 1993 e febbraio 1997) effettuate finora hanno avuto un enorme successo. Le future
missioni sono programmate per la metà del 1999 e la metà del 2002. Possono anche essere
aggiunti eventuali voli straordinari nel caso sia necessario effettuare compiti specifici che non
possono aspettare la prossima missione regolare programmata (oppure per completare un
compito non concluso in una missione precedente) Un grave errore di costruzione dello
specchio compromise i risultati della missione, ma la missione STS-61 (Endeavour) del
dicembre 1993 eliminò completamente gli effetti dell'aberrazione sferica e ripristinò la totale
funzionalità dell'HST.
Il corredo attuale di strumenti scientifici
Wide Field/Planetary Camera 2 (WF/PC2) - Camera planetaria a grande campo
L'originale Wide Field/Planetary Camera (WF/PC1) fu sostituita con la WF/PC2 durante la
missione STS-61 del dicembre 1993. Il WF/PC2 (pronuncia uiff-pic) era uno strumento di
scorta sviluppato nel 1985 dal Jet Propulsion Laboratory di Pasadena (California). Gli specchi
secondari del 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 del WF/PC2 sono deformate della stessa
quantità ma in modo contrario) Il "cuore" del WF/PC2 consiste di un trio di sensori a largo
campo a forma di L e di una sensore per riprese di pianeti ad alta risoluzione, che va ad
occupare l'angolo rimanente.
Space Telescope Imaging Spectrograph (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 può
studiare le radiazioni prodotte dai corpi celesti comprese tra la lunghezza d'onda
dell'ultravioletto (115 nanometri) e quella del vicino infrarosso (1000 nanometri). Lo STIS
utilizza tre rilevatori: il fotocatodo Multi-Anode Microchannel Array (MAMA) a ioduro di cesio
per le lunghezze d'onda comprese tra i 115 nm e i 170 nm, un MAMA a tellururo di cesio per i
165-310 nm, e un CCD (Charge Coupled Device) per l'intervallo dai 305 ai 1000 nm. Tutti e tre
i rilevatori hanno un formato di 1024x1024 pixel. 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 registrare simultaneamente lo spettro di diversi punti di
una galassia, invece di eseguire una registrazione 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.
Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS)
Il NICMOS è uno strumento in grado di eseguire sia osservazioni nell'infrarosso, che
osservazioni spettroscopiche di oggetti astronomici. Il NICMOS 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 HgCdTe 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. Il condensatore mantiene freddi i detector
per anni, più a lungo che in qualsiasi altro esperimento spaziale. Il NICMOS è il primo
strumento criogenico dell'HST.
Faint Object Camera (FOC) - Camera per oggetti deboli
La 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. Perfino utilizzando un filtro a larga banda, l'oggetto più luminoso che
può essere accuratamente misurato ha magnitudine 20. Il FOC offre tre diversi rapporti focali:
f/48, f/96, e f/288 su un'immagine con formato televisivo standard. L'immagine con f/48
misura 22x22 secondi d'arco e consente la risoluzione (dovuta alla dimensione dei pixel) di
0,043 secondi d'arco. La modalità f/96 fornisce un'immagine di 11x11 secondi d'arco e una
risoluzione di 0,022 arcosecondi. Il campo visivo del rapporto f/288 è di 3,6x3,6 secondi d'arco
con una risoluzione di 0,0072 secondi.
Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR)
Il COSTAR 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. Tutti gli altri strumenti,
installati nell'HST, sono stati dotati di ottiche correttive. Quando il FOC sarà rimpiazzato da un
altro strumento, non ci sarà più bisogno del COSTAR.
Operazioni e osservazioni
Sebbene l'HST sia sempre operativo, non tutto il suo tempo è impiegato all'osservazione. Ogni
orbita dura circa 95 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 ad un
nuovo obiettivo, per evitare la Luna e il Sole, commutare le antenne di comunicazione e le
modalità di trasmissione, ricevere comandi di trasmissione dati, calibrazioni e altre attività
simili. 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/PC può riprendere l'immagine di una regione di cielo
leggermente spostata rispetto alla visuale del bersaglio. Durante l'osservazione il 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. Gli osservatori a terra possono
esaminare le immagini "grezze" e altri dati in pochi minuti, per una prima, rapida analisi. Entro
24 ore il GSFC configura i dati per consegnarli all'STScI. L'STScI è responsabile per
l'elaborazione dei dati (calibrazione, edizione, distribuzione e aggiornamento dei dati per la
comunità scientifica). La competizione per utilizzare il tempo di osservazione dell'HST è molto
forte. Su dieci proposte, soltanto una viene accettata. Quest'unico osservatorio spaziale viene
gestito come un centro internazionale di ricerca, come una risorsa per gli astronomi di tutto il
mondo.
