Spitzer (telescopio spaziale)

Spitzer Rappresentazione artistica del telescopio spaziale Spitzer. Dati generali

Organizzazione	NASA
Costruttore	Lockheed Martin Space Ball Aerospace
Programma	Grandi osservatori
Campo	Astronomia a infrarossi
Tipo di missione	Telescopio spaziale
Stato	Missione completata
Altri nomi	Struttura spaziale del telescopio a infrarossi (SIRTF)
Lanciare	25 agosto 2003
Launcher	Delta II 7920H
Fine della missione	30 gennaio 2020 Maggio 2009 (fine della missione in modalità raffreddamento)
Prende il nome	Lyman Spitzer ( astrofisico americano )
Identificatore COSPAR	2003-038A
Luogo	spitzer.caltech.edu

Caratteristiche tecniche

Messa al lancio	950 kg
Controllo dell'atteggiamento	Stabilizzato su 3 assi

Orbita

Orbita	Eliocentrico

Telescopio

genere	Ritchey-Christian
Diametro	85 cm
La zona	2,3 m²
Focale	10,2 m
Lunghezza d'onda	Infrarossi  : da 3,6 a 100 micron

Strumenti principali

IRAC	telecamera
IRS	Spettrografo
MIPS	Fotometro per immagini

Spitzer o SIRTF ( Space Infrared Telescope Facility ) è un telescopio spaziale a infrarossi sviluppato dalla NASA . È l'ultimo dei quattro "  Grandi Osservatori  " con caratteristiche complementari creati dalla NASA per rispondere alle maggiori domande scientifiche di fine secolo nel campo dell'astrofisica . Il suo ruolo è principalmente quello di osservare la creazione dell'Universo , la formazione e l'evoluzione delle galassie primitive, la genesi di stelle e pianeti e l'evoluzione della composizione chimica dell'Universo che sono fenomeni principalmente visibili nell'infrarosso.

Questo progetto del telescopio a infrarossi è stato lanciato nel 1984 dalla NASA. Durante il suo sviluppo, le dimensioni di Spitzer vengono drasticamente ridotte (massa ridotta da 5,7 tonnellate a meno di una tonnellata) per far fronte ai tagli di bilancio che interessano l'agenzia spaziale. Le sue capacità sono tuttavia nettamente superiori ai predecessori IRAS (1983) e ISO (1995), grazie a numerose scelte tecniche e ai progressi nel frattempo compiuti nel campo dei rivelatori a infrarossi. La sua parte ottica è costituita da un telescopio di 85  cm di diametro. La radiazione infrarossa raccolta viene analizzata da tre strumenti che vengono raffreddati come il telescopio da elio liquido  : un fotometro per immagini nell'infrarosso vicino e medio (da 3 a 8 micron), uno spettroscopio (da 5 a 40 micron) e uno spettrofotometro per il lontano infrarosso (50 -160 micron).

Lanciato il 25 agosto 2003, il telescopio funziona a piena capacità fino al Maggio 2009. Da quella data, esaurito il suo elio liquido, continua ad operare in modalità "caldo" con parte della sua strumentazione. Il telescopio è stato disattivato dalla NASA il30 gennaio 2020. Il progetto Spitzer è costato 1,36 miliardi di dollari dall'inizio della sua concezione fino alla fine delle operazioni nel 2020.

Storico

I predecessori: IRAS e ISO (1983-1995)

Spitzer è cronologicamente il terzo grande telescopio spaziale a infrarossi  : è preceduto da IRAS sviluppato dall'agenzia spaziale statunitense, NASA, in collaborazione con Paesi Bassi e Regno Unito e lanciato nel 1983, nonché da ISO progettato dall'Agenzia spaziale europea e lanciato nel 1995 .

Alla fine degli anni '60, la NASA aveva grandi aspettative nei confronti della navetta spaziale americana, che avrebbe dovuto effettuare i suoi primi voli all'inizio del decennio successivo. Tra gli usi previsti di questo lanciatore spaziale in grado di tornare a terra al termine della sua missione c'è il trasporto di un telescopio spaziale a infrarossi che deve beneficiare dell'elevata velocità di lancio della navetta - La NASA prevede di effettuare un volo a settimana - e incarichi a lungo termine (fino a 30 giorni). Già nel 1969 si proponeva di sviluppare un telescopio a infrarossi criogenico con uno specchio di un metro di diametro da installare nella stiva della navetta spaziale. Il costo di questo telescopio, denominato Shuttle Test Facility Infrared (IR Installation Space Shuttle) abbreviato in FTIR, è valutato al momento di 120 milioni di dollari USA . Questo progetto ha ricevuto nel 1979 il sostegno della National Academy of Sciences degli Stati Uniti . Nel 1983 la NASA lanciò un bando di gara per la costruzione di un osservatorio spaziale a infrarossi annesso allo space shuttle e che sarebbe tornato a terra al termine di ogni missione. Questo telescopio doveva compiere il suo primo volo nel 1990. Tuttavia, il successo del telescopio a infrarossi IRAS sviluppato dalla NASA spinse l'agenzia spaziale a modificare i suoi piani nel 1984: decise di sviluppare un telescopio spaziale a infrarossi autonomo. Questa decisione è supportata dalla scoperta che il piccolo telescopio a infrarossi IRT ( InfraRed Telescope ), imbarcato nella stiva dello space shuttle inLuglio 1985(missione STS-51-F ), deve affrontare notevoli problemi di contaminazione da emissioni infrarosse prodotte dalla sonda una volta nello spazio. L' acronimo SIRTF viene mantenuto nonostante questo cambiamento nell'architettura, ma ora sta per Space Infrared Telescope Facility .

Sviluppo (1984-2003)

Gli spettacolari risultati del telescopio spaziale a infrarossi IRAS lanciato nel 1983 dalla NASA e la cui missione è durata solo 10 mesi, hanno spinto la comunità di astronomi a chiedere lo sviluppo di un successore. Il rapporto Bahcall , redatto nel 1991 con l'obiettivo di identificare i progetti astronomici prioritari, prevede che gli anni '90 saranno il decennio dell'infrarosso e dà priorità nel campo spaziale allo sviluppo di un telescopio a infrarossi. Il telescopio a infrarossi SIRTF / Spitzer è progettato per essere l'ultimo dei quattro "  Grandi Osservatori  " sviluppati dalla NASA per rispondere alle principali domande nel campo dell'astrofisica . Altri telescopi in questo programma sono il telescopio spaziale Hubble, lanciato nel 1990 per le osservazioni nello spettro visibile e vicino all'ultravioletto , Chandra (nel 1999) per i raggi X molli (da 0,01 a 10  nm ) e il Compton Gamma -Ray Observatory (nel 1991) per radiazioni gamma e raggi X duri (da 10 a 100 µm). La realizzazione del telescopio è gestita dal centro JPL della NASA. Il progetto iniziale evolve verso una macchina molto più ambiziosa ed è ora previsto un telescopio con una massa di 5,7 tonnellate che trasporta 3.800  litri di elio liquido (per raffreddare i rivelatori) posto in orbita terrestre alta da un lanciatore Titan . Ma il clima economico americano si sta deteriorando allo stesso tempo e diverse missioni spaziali della NASA sono fallite. Poco dopo la pubblicazione del rapporto Bahcall, il budget della NASA ha subito un forte calo con conseguente cancellazione di diversi progetti e una riduzione degli obiettivi e delle prestazioni dei progetti che sono stati mantenuti. Spitzer subisce così in 5 anni due tagli di budget che portano il budget stanziato al progetto da 2,2 miliardi a 500 milioni di dollari. Nonostante questa drastica riduzione, SIRTF / Spitzer ha, grazie agli ultimi progressi nell'osservazione a infrarossi e diverse ottimizzazioni, una sensibilità da 10 a 100 volte maggiore di quella dei suoi predecessori. Infatti negli anni '80 il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha investito centinaia di milioni di dollari nello sviluppo di rivelatori a infrarossi. I progressi tecnologici che ne derivano si sono progressivamente diffusi alle applicazioni civili, consentendo lo sviluppo per l'astronomia a infrarossi di rivelatori molto più sensibili: mentre i rivelatori del satellite IRAS hanno solo 62 pixel, quelli della telecamera IRAC di Spitzer ne hanno 65.000.

A differenza del corso di progetti di questo tipo, i produttori coinvolti nella realizzazione di Spitzer vengono consultati sin dall'inizio della progettazione. Lockheed Martin ha la responsabilità generale per lo sviluppo e il test dei satelliti. Ball Aerospace sta sviluppando il gruppo criogenico compreso il criostato e la parte ottica. I tre strumenti di bordo sono prodotti rispettivamente dal Goddard Space Flight Center della NASA (strumento IRAC), dalla Cornell University di Ithaca ( Stato di New York ), dallo strumento IRS e dall'Università dell'Arizona (strumento MIPS). Le operazioni del telescopio sono controllate dallo Spitzer Science Center situato nel campus del California Institute of Technology a Pasadena ( California ).

Conduzione della missione

Lanciare

Spitzer è posizionato in orbita 25 agosto 2003da un lanciatore Delta II 7920H dalla rampa di lancio di Cape Canaveral in Florida . Chiamato SIRTF per Space Infrared Telescope Facility prima del suo lancio, è stato ribattezzato Spitzer quattro mesi dopo in onore dello scienziato americano, Lyman Spitzer , astrofisico americano che ha svolto un ruolo di primo piano nei primi progetti di telescopi spaziali. Spitzer viene lanciato "caldo" che consente di ridurre la sua massa. Durante i tre mesi successivi, gli strumenti immersi in elio liquido si raffreddano gradualmente mentre la temperatura della parte ottica viene abbassata dai vapori dell'elio che evapora. Il telescopio inizia quindi la fase criogenica della sua missione.

Cold Mission (2003 - maggio 2009)

Le prime immagini catturate dal telescopio hanno lo scopo di dimostrare le capacità del nuovo telescopio: sono immagini di un vivaio di stelle, un disco di detriti da un pianeta in formazione e materiale organico da un universo lontano. Una delle osservazioni più notevoli si ha nel 2005 quando il telescopio riesce a riprendere le prime immagini di esopianeti, il caldo Jupiter HD 209458 be TrES-1b. NelSettembre 2006, il telescopio partecipa a un'indagine del cielo della cintura di Gould situata a circa 3000 anni luce dal Sole. Lo stock di elio dovrebbe consentire il raffreddamento degli strumenti per 2,5 anni, ma alla fine non si esaurirà fino al15 maggio 2009o 5,5 anni dopo il lancio. La missione primaria ha una durata di 2,5 anni ma verrà estesa più volte poiché terminerà 15 anni dopo il suo lancio.

Hot mission (luglio 2009 - gennaio 2020)

Il telescopio spaziale inizia una nuova missione dopo l'esaurimento del suo elio nel luglio 2009 quando la temperatura si stabilizza a 28 kelvin . Due degli strumenti non funzionano più, ma le termocamere IRAC continuano a funzionare in modo ottimale in queste nuove condizioni. Consentono di osservare le lunghezze d'onda 3,6 e 4,5 micron. Durante questa nuova fase della sua missione, il telescopio mappa sorgenti infrarosse su vaste porzioni di cielo, osserva comete e asteroidi nel nostro sistema solare, osserva esopianeti ed effettua osservazioni delle galassie più lontane nel nostro universo.

Nel 2014 è prevista l'interruzione della missione per motivi di budget ma il project manager riesce ad abbassare il costo annuale delle operazioni da 17 milioni di dollari a 11 milioni di dollari. Nel 2016, la NASA ha deciso di estendere la missione perché Spitzer è risultato particolarmente ben classificato rispetto ad altre cinque missioni spaziali astrofisiche quando i costi ei risultati sono stati riconciliati. Funzionari dell'agenzia spaziale statunitense decidono di estendere la missione fino al lancio del prossimo telescopio spaziale a infrarossi JWST che è previsto per il 2018. Quando il lancio viene posticipato al 2021, l'agenzia spaziale, dopo aver cercato di trovare fonti esterne di finanziamento, decide di non estendere la missione di Spitzer oltregennaio 2020.

Fine della missione

Il telescopio circola in un'orbita vicina a quella della Terra. A poco a poco se ne sta allontanando (all'inizio del 2020, il telescopio si trova a 260 milioni di chilometri dalla Terra, più di 700 volte la distanza Terra-Luna). Come conseguenza della posizione relativa del telescopio rispetto alla Terra, l'orientamento dei suoi pannelli solari durante le sessioni di telecomunicazione è sempre più sfavorevole e questi vengono gradualmente accorciati. Dopo 16 anni di operazioni, la NASA decide di terminare la missione30 gennaio 2020. I comandi vengono inviati dal centro di controllo in modo che Spitzer vada in modalità sopravvivenza con i suoi pannelli solari puntati verso il sole. Il telescopio spaziale continuerà ad allontanarsi gradualmente dalla Terra prima di avvicinarsi di nuovo e di passarvi vicino (8 volte la distanza Terra-Luna) nel 2053. Il segnale radio sarà così debole in questo momento. - occorreranno apparecchiature speciali. progettato per catturarlo. Il costo della missione, compreso il lancio, la conduzione delle operazioni e l'analisi dei dati, è stimato a 1,19 miliardi di dollari per la durata della missione primaria ea 1,36 miliardi di dollari comprese le operazioni fino al momento della disattivazione nel 2020.

Obiettivi scientifici

Tutti gli oggetti nell'Universo producono continuamente emissioni attraverso l'intero spettro elettromagnetico ( luce visibile , infrarossi , ultravioletti , onde radio , raggi gamma e raggi X ) che forniscono informazioni sulla loro struttura e sui processi che li influenzano. Gran parte di queste emissioni, in particolare le emissioni infrarosse, possono essere osservate solo dallo spazio perché non raggiungono il suolo della Terra essendo intercettate dall'atmosfera terrestre. La radiazione infrarossa è particolarmente interessante perché viene emessa da qualsiasi oggetto con una temperatura superiore a 0 Kelvin ( −273,15  ° C ). Questa funzione consente ai telescopi a infrarossi come Spitzer di osservare fenomeni invisibili in altre lunghezze d'onda come:

• la nascita delle stelle prima che siano sufficientemente massicce per iniziare la fusione termonucleare. La luce infrarossa emessa durante questa prima fase raggiunge gli osservatori spaziali nonostante lo spesso velo di polvere presente.
• le stelle mentre muoiono producono materia sotto forma di polvere che funge da materiale di base per la formazione di nuove stelle. L'osservazione a infrarossi delle stelle alla fine della loro vita fornisce informazioni essenziali sulla composizione di questa polvere. Queste informazioni dovrebbero consentire agli astronomi di ricostruire l'origine della polvere all'inizio dell'Universo.
• l'osservatorio Spitzer può studiare il processo di formazione planetaria. Spitzer non è in grado di osservare esopianeti ma può osservare il disco protoplanetario formato da nuvole di polvere. Misurando la temperatura del disco, il telescopio consente di conoscere la struttura e l'età del disco e di determinare se i pianeti si stanno formando o già si stanno formando.
• L'osservazione infrarossa delle galassie permette di caratterizzare le tre sorgenti di questa radiazione presenti: le stelle , il mezzo interstellare e la polvere interstellare . Spitzer può così identificare le galassie che producono nuove stelle ad un ritmo rapido (vivai stellari) e identificare l'origine di questa genesi. L'osservazione della nostra galassia, la Via Lattea , rende possibile individuare le regioni in cui le stelle si stanno ancora formando. Infine, Spitzer dovrebbe fornire una migliore comprensione delle galassie che sono luce nell'infrarosso , la cui caratteristica è quella di emettere più del 90% della loro luce nell'infrarosso.
• la maggior parte delle stelle che abitano l' Universo non sono abbastanza massicce per iniziare la fusione termonucleare. Queste nane brune non producono luce visibile ma emettono nell'infrarosso. Parte della materia oscura che gli astronomi cercano di identificare potrebbero essere nane brune. La sensibilità degli strumenti di Spitzer permette di fare un inventario degli stessi in prossimità del Sistema Solare e di studiarli.
• gigantesche nuvole molecolari si trovano nello spazio interstellare. Sono costituiti principalmente da idrogeno e sono il serbatoio di materia prima da cui si formano le stelle. Lo studio di Spitzer sulla densità e la temperatura di queste nuvole fornisce importanti informazioni sulle condizioni fisiche e sulla composizione chimica che rendono possibili le protostelle .
• la luce delle galassie più antiche apparse 13 miliardi di anni fa, ovvero quasi un miliardo di anni dopo il Big Bang, è visibile dalla Terra nel dominio dell'infrarosso a causa del fenomeno dello spostamento verso il rosso . Spitzer permette di studiare queste galassie e quindi di determinare come e quando si sono formati questi primi oggetti nell'Universo. Il telescopio permette anche di studiare il fondo diffuso cosmologico dell'infrarosso che risulta dalle emissioni di galassie e stelle troppo poco visibili per poter essere distinte.
• la maggior parte delle galassie contiene uno o talvolta più buchi neri supermassicci al centro. Spitzer è particolarmente ben attrezzato per osservare questi oggetti quando sono attivi (nel processo di assorbimento della materia). Questi buchi neri vengono osservati da Spitzer grazie alla radiazione infrarossa emessa dalla materia quando ne viene attratta.
• Spitzer è il primo telescopio in grado di osservare direttamente la luce di un esopianeta , ovvero un pianeta in orbita attorno ad un'altra stella. Il telescopio può determinare la temperatura, i venti e la composizione di pianeti lontani quando soddisfano determinate caratteristiche (dimensioni, distanza).

Orbita

Il telescopio a infrarossi deve tenersi il più possibile lontano da qualsiasi fonte di calore ed essere in grado di mantenere i propri strumenti ad una temperatura prossima a 0 kelvin senza consumare troppo velocemente l'elio utilizzato per raffreddarli. I progettisti della missione scelgono, a differenza dei telescopi infrarossi che precedono, di non mettere Spitzer in orbita attorno alla Terra, perché questo riflette parte del calore emesso dal Sole , ma di collocarlo in un'orbita eliocentrica parallela a quella di la Terra che attraversa in 372 giorni. In questa orbita, la temperatura del telescopio scende passivamente a 34 Kelvin, risparmiando elio per il raffreddamento iniziale. Inoltre, essendo lontano dalla Terra, Spitzer ha un campo di osservazione molto più ampio: il 30% del cielo è osservabile in qualsiasi momento mentre il resto del cielo può essere visto due volte l'anno durante periodi di giorni consecutivi di circa 40 giorni. Il puntamento del telescopio è inquadrato da due vincoli: il suo asse non deve avvicinarsi di più di 80 ° a quello del Sole perché oltre il pannello solare / aletta parasole non può più impedirne il riscaldamento e non deve s 'allontanarsi da quello del Sole asse di oltre 120 ° in modo che le celle solari possano produrre energia sufficiente. Nella sua orbita, Spitzer si allontana gradualmente dalla Terra (gira meno rapidamente intorno al Sole) al ritmo di un decimo di UA all'anno. Questa distanza progressiva porta ad una progressiva diminuzione della portata negli scambi con la Terra.

Caratteristiche tecniche

Spitzer è il più piccolo dei grandi osservatori della NASA: misura un terzo della lunghezza del telescopio spaziale Hubble per un undicesimo della sua massa. Si tratta di una macchina di forma cilindrica di 4,45 metri di lunghezza e 2,1 metri di diametro che si compone di tre sottogruppi:

• il telescopio con i suoi strumenti scientifici raffreddati da elio liquido protetto da un involucro. Insieme formano il CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ).
• il modulo di servizio situato all'estremità inferiore del telescopio. È un modulo a 8 lati che ospita l'elettronica di strumenti scientifici, antenne, propulsori e computer responsabili del funzionamento e dell'orientamento del telescopio.
• i pannelli solari che mantengono anche il telescopio al riparo dalla luce solare.

Spitzer ha una massa di 950  kg compresi i 15,6  kg di azoto utilizzati per le correzioni dell'orbita ei 360  litri di elio (50,4  kg ) utilizzati per raffreddare gli strumenti e il telescopio. I suoi pannelli solari forniscono 400 watt che vengono immagazzinati in batterie con una capacità di 16 ampere-ora. Il puntamento del telescopio viene eseguito utilizzando ruote di reazione . La desaturazione delle ruote di reazione viene eseguita utilizzando due serie di sei propulsori a gas freddo che utilizzano azoto .

Isolamento termico

Il telescopio deve essere mantenuto il più fresco possibile in modo che gli oggetti visti dagli strumenti non vengano confusi dagli strumenti con altre fonti di calore (infrarossi) dagli strumenti stessi. Il calore è prodotto dalla radiazione solare che colpisce i pannelli solari (a destra nello schema a fianco) e l'elettronica del modulo di servizio (in fondo allo schema). La parte del carico utile di Spitzer che deve essere mantenuta a temperature molto basse è chiamata CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ). Il satellite è orientato in modo che il Sole non colpisca mai il CTA. Il CTA comprende quattro sottounità: il telescopio, il vano contenente gli strumenti scientifici (esclusa l'elettronica), il criostato e l'involucro esterno responsabile dell'isolamento termico di questo assieme. Il telescopio trasporta elio liquido che evaporando permette di evacuare il calore, ma affinché la missione duri è essenziale che il calore in eccesso venga evacuato o fermato isolando al meglio le parti fredde del telescopio e dei suoi strumenti.

Il calore viene diffuso verso il telescopio e i suoi strumenti per conduzione (tramite i distanziatori che uniscono i vari componenti) e per irraggiamento. L'AHU è fissata al modulo di servizio tramite distanziatori progettati per limitare il trasferimento di calore. Due schermi termici posti da un lato tra CTA e modulo servizi e dall'altro tra CTA e pannelli solari intercettano ed evacuano nel vuoto per irraggiamento la maggior parte del calore prodotto. L'involucro esterno del CTA, che è realizzato in alveolare di alluminio, è verniciato di nero sulla faccia opposta a quella del Sole per evacuare il massimo calore verso lo spazio. È brillante dall'altra parte per riflettere la radiazione del sole. Il criostato è costituito da un involucro in cui si crea un vuoto e contiene elio liquido: i vapori prodotti dall'evaporazione raffreddano l'assieme ad una temperatura di circa 5 Kelvin compensando la piccola quantità di calore (modellato a 4  mW ) che raggiunge il nucleo del telescopio o che è prodotto dai rivelatori degli strumenti. Il CTA è chiuso all'estremità superiore da una copertura per limitare l'evaporazione dell'elio all'inizio del volo. Questa parte del telescopio viene espulsa per consentire alla luce di raggiungere lo specchio primario quando la temperatura del gruppo è scesa sotto i 35 Kelvin.

Telecomunicazioni

Gli scambi tra il satellite e la Terra non avvengono continuamente perché l'antenna ad alto guadagno utilizzata per le comunicazioni è fissa e non è puntata verso la Terra quando il telescopio è in funzione. Una volta ogni 12-24 ore, l'orientamento del telescopio viene modificato per consentire all'antenna di essere puntata verso la Terra e il trasferimento dei dati. Il telescopio ha una memoria di massa con una capacità di 8 gigabit che può eventualmente saltare una sessione di telecomunicazione. Spitzer ha anche quattro antenne a basso guadagno.

Diagramma di Spitzer e vista in sezione

A Parte ottica  : 1 - specchio secondario; 2 - guscio esterno; 3 - specchio primario; 11 copertura antipolvere; B Criostato  : 4 - vano strumenti; 10 - serbatoio di elio; C Modulo di servizio  : 5 - schermo del modulo di servizio; Cercatori a 6 stelle; 7 - batterie; 8 - antenna ad alto guadagno; 9 - serbatoio di azoto; 12 - distanziatori; 13 - unità di inerzia; D Pannelli solari  : 14 - schermo del pannello solare.

Carico utile

Il carico utile Spitzer è costituito dal telescopio (la parte ottica), dal vano contenente gli strumenti scientifici (esclusa l'elettronica) e dall'elettronica degli strumenti posti nel modulo di servizio per limitare il riscaldamento dei rivelatori.

Parte ottica

La parte ottica di Spitzer è un telescopio di tipo Ritchey-Chrétien con uno specchio primario di 85 centimetri di diametro. Il telescopio include anche uno specchio secondario di 12  cm di diametro e una torretta che collega i due specchi. Lo specchio secondario è montato su un meccanismo che consente di modificare la distanza dallo specchio primario una volta che il telescopio è in orbita. Tutte le parti del telescopio, tranne le staffe, sono realizzate in berillio . Questo metallo ha il vantaggio di essere leggero, resistente e poco sensibile agli sbalzi termici. La massa totale del telescopio è di 55  kg per un'altezza di 90  cm . La lunghezza focale è di 10,2 metri.

• Alcuni dei componenti di Spitzer

• La parte ottica del telescopio Spitzer.

• Il modulo di servizio.

Strumenti scientifici

La radiazione infrarossa raccolta dal telescopio può essere analizzata da tre strumenti ma, a differenza del telescopio spaziale Hubble , solo uno strumento può funzionare in un dato momento. Questi sono posti in un vano di alluminio di 84  cm di diametro e 20  cm di altezza che riceve attraverso un orifizio posto al centro della sua parte superiore la radiazione infrarossa raccolta dal telescopio. Lo scomparto è posto direttamente sopra il criostato riempito di elio liquido che mantiene così gli strumenti ad una temperatura prossima a 0 kelvin . L'elettronica dello strumento, fonte di calore, è collocata nel modulo di servizio. I tre strumenti di bordo sono:

• IRAC ( Infrared Array Camera ) è una telecamera per l'osservazione del vicino e medio infrarosso. I rivelatori sono costituiti da 4 array di 256 × 256 pixel , ciascuno raccogliendo rispettivamente in bande centrate su 3,6  µm , 4,5  µm , 5,8  µm e 8,0  µm . I rivelatori utilizzati per lunghezze d'onda corte (3,6 e 5,5 µm) sono realizzati con indio e antimonio mentre quelli destinati a lunghezze d'onda lunghe ( 5,8 e 8  µm ) sono addizionati di arsenico . L'unica parte mobile dello strumento è l'otturatore che non è stato utilizzato da quando Spitzer è in orbita. IRAC è l'unico strumento in grado di funzionare almeno parzialmente quando l' elio utilizzato per raffreddare gli strumenti è esaurito: la temperatura è quindi troppo alta per i rivelatori da 5,8 e 8 µm ma gli altri due rivelatori rimangono operativi.
• IRS ( Infrared Spectrograph ) è uno spettrografo che produce spettri di radiazione compresi tra 5  µm e 38  µm . Consiste di quattro sottoinsiemi che operano in parallelo: spettro ad onde corte ad alta risoluzione tra 10 e 19,5 µm, spettro a onde corte a bassa risoluzione tra 5,3 e 14 µm, spettro a onde lunghe a bassa risoluzione tra 14 e 40 µm, spettro ad onde lunghe ad alta risoluzione tra 19 e 37 µm. Tutti i rivelatori sono 128 x 128 pixel, quelli utilizzati per onde corte sono drogati con arsenico mentre quelli per onde lunghe sono realizzati in silicio drogato con antimonio . Lo strumento non ha parti mobili.
• MIPS ( Multiband Imaging Photometer for Spitzer ) è come IRAC, una telecamera per immagini ma specializzata nel lontano infrarosso (24  µm , 70  µm e 160  µm ) e con la capacità di eseguire semplici spettrometrie. Il rilevatore da 24 µm ha 128 × 128 pixel ed è realizzato in silicio drogato con arsenico. I rilevatori da 70  µm sono realizzati con due array di germanio drogato al gallio da 16 pixel uniti per formare una matrice 32 × 32. Il rilevatore da 160 µm comprende 2 file di 20 pixel realizzati con gli stessi materiali. Queste caratteristiche sono nettamente superiori a quelle dei sensori del telescopio a infrarossi ISO europeo  : PHOT C-100 (l'equivalente di 70  µm ) che ha solo 3 × 3 pixel e C-200 che ha solo 2 × 2 pixel. Il campo osservato è di 5 x 5 minuti d'arco per la lunghezza d'onda di 24 micron, ma scende a 0,5 x 6 minuti d'arco a 1600 micron. Il rilevatore da 70 micron può produrre un singolo spettro compreso tra 50 e 100 micron. Lo strumento ha una sola parte mobile: è uno specchio rotante che permette di mappare porzioni di cielo più ampie. MIPS rivelatori sono raffreddati a 1.7  K .

• Strumenti scientifici

• Lo spettrografo IRS dopo la sua integrazione con la camera criogenica MIC.

• La fotocamera a infrarossi MIPS prima della sua integrazione.

• I tre strumenti integrati nella camera criogenica MIC.

Risultati

Nel 2010 sono state pubblicate quasi 2.000 pubblicazioni scientifiche basate su osservazioni effettuate utilizzando Spitzer.

Il telescopio Spitzer consente di osservare per la prima volta molti fenomeni:

• il processo di formazione dei pianeti  : la dissoluzione del disco di polvere e gas e la sua concentrazione con conseguente formazione dei pianeti. Le osservazioni fatte intorno a stelle simili al Sole in diverse fasi suggeriscono che il disco di polvere e gas da cui provengono i pianeti terrestri scompare in pochi milioni di anni e che quindi il processo di formazione è molto rapido.
• Spitzer può studiare le nane brune che sono stelle abortite (la fusione termonucleare non è iniziata) a causa delle loro piccole dimensioni (meno di 0,08 volte la dimensione del Sole) ma che emettono nell'infrarosso. Secondo queste osservazioni, le nane brune come le stelle presentano dischi di polvere e gas che possono quindi dare vita a pianeti.
• Spitzer osserva su una gamma molto ampia di onde che gli consente di rilevare fenomeni molto diversi all'interno di galassie che vanno dalle atmosfere delle stelle alle fredde nuvole interstellari. Questa capacità, insieme a un campo ottico di 5 x 5 minuti d'arco, consente di ottenere immagini sorprendenti di galassie vicine come M81.
• La sensibilità di Spitzer gli consente di rilevare galassie particolarmente distanti con spostamento verso il rosso di 6 e quindi apparse poco meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang .
• Spitzer osserva le galassie infrarosse, luogo di formazione stellare molto intensa ("  galassie con esplosioni di formazione stellare  ") e ha evidenziato i particolari processi associati.
• per la prima volta, il telescopio spaziale può catturare la luce emessa da un esopianeta caldo e quindi analizzare le variazioni di temperatura sulla sua superficie.
• osserva per la prima volta molecole di fullerene allo stato solido.

Pianeti extrasolari

Sebbene l'osservazione di esopianeti non fosse tra gli obiettivi originali della missione Spitzer, il telescopio spaziale ha fatto importanti scoperte in questo campo grazie alla sua capacità di osservazione a infrarossi e alla precisione del suo sistema di punteggio:

• Nel Maggio 2009, Spitzer fornisce la prima mappa meteorologica di un esopianeta evidenziando le variazioni di temperatura sulla superficie del pianeta gigante gassoso 189733b. Le osservazioni evidenziano anche la presenza di forti venti che attraversano l'atmosfera.
• Spitzer scopre cinque dei sette pianeti rocciosi in orbita attorno alla stella TRAPPIST-1 come parte di una campagna di osservazione di 500 ore. Le caratteristiche di Spitzer erano ideali per osservare questa stella molto più fredda del nostro Sole e determinare le dimensioni e la massa dei pianeti.
• Nel 2010 Spitzer è riuscito a rilevare un esopianeta situato a 13.372 anni luce di distanza molto più lontano di tutti quelli scoperti finora. La rilevazione viene eseguita utilizzando la tecnica delle microlenti gravitazionali con l'ausilio di un telescopio terrestre.
• Questa tecnica viene utilizzata di nuovo con l'aiuto degli astronomi sudcoreani per rilevare un pianeta delle dimensioni della Terra che ruota attorno a una stella nana situata a 12,7 anni luce dalla Terra.
• Combinando i dati di Spitzer e del telescopio spaziale Kepler , è stata stabilita una prima mappatura delle nuvole di un esopianeta gigante delle dimensioni di Giove. Spitzer determinò che la temperatura di Kepler-7b variava da 1100 a 1300 Kelvin e dedusse che l'emisfero occidentale era permanentemente nuvoloso mentre l'emisfero orientale aveva un'atmosfera limpida.
• Un'osservazione 8 ore di pianeta 55 Cancri ha stabilito che questo super- tipo pianeta terra (il doppio della Terra) sperimenta temperature particolarmente elevate. Questo pianeta, che subisce un bloccaggio gravitazionale (la stessa faccia è sempre rivolta verso la stella), ha una temperatura superficiale di 2400  ° C sul lato diurno e di 1120  ° C sul lato notturno. Ciò suggerisce che la sua superficie sia ricoperta di lava .
• Nel 2007 Spitzer ha catturato abbastanza luce da un esopianeta per identificare la presenza di alcune molecole nella sua atmosfera. Utilizzando la tecnica dell'eclissi secondaria, lo spettrografo del telescopio spaziale stabilisce che i due pianeti giganti HD 209458b e HD 189733b erano entrambi più asciutti e più nuvolosi del previsto. Contrariamente a quanto previsto, nella loro atmosfera non è stata trovata alcuna traccia di acqua. L'atmosfera di HD 209458b contiene piccoli granelli di sabbia (silicati), la cui presenza in un pianeta di questo tipo costituisce una novità.
• Spitzer ha permesso di confermare e chiarire le scoperte di esopianeti fatte da altri strumenti, in particolare Kepler . Una campagna di osservazione di 10 Giove caldi effettuata nel 2015 con il Telescopio Spaziale Hubble ha permesso di rimuovere il mistero dell'apparente assenza di acqua nell'atmosfera di questi pianeti. L'acqua era effettivamente oscurata da nuvole e nebbie.
• Spitzer ha usato le sue capacità a infrarossi per osservare la polvere dai resti di asteroidi in orbita attorno a sei nane bianche . I dati raccolti indicano che questa polvere contiene olivina , un materiale abbondante sulla nostra Terra. Ciò suggerisce che i costituenti della nostra Terra e di altri pianeti rocciosi nel sistema solare sono comuni in tutto l'universo e quindi anche i pianeti rocciosi sono abbondanti.
• Spitzer osserva in mezzo Agosto 2012 e Gennaio 2013un forte aumento della quantità di polvere presente intorno alla stella NGC 2547-ID8. Questo è stato probabilmente il risultato di una collisione tra due grandi asteroidi che fornisce informazioni sul processo violento che ha portato alla formazione di pianeti rocciosi come la Terra.

• Immagini riprese dagli strumenti di Spitzer

• La Nebulosa Elica . Blu: infrarossi tra 3,6 e 4,5 micron; verde: tra 5,8 e 8 micron; rosso: 24 micron.

• In senso orario da sinistra in alto: vista a infrarossi della galassia di Andromeda  ; Oggetto Herbig-Haro HH contenente una protostella  ; diverse protostelle trovate nel globulo scuro IC 1396  ; la cometa Schwassmann-Wachmann 1 .

• Spitzer ci permette di scoprire l'anello di polvere esterno che circonda Saturno .

Successori

Nel 2009 è stato lanciato il satellite Herschel con uno specchio di 3,5 metri, che consente l'analisi di raggi infrarossi di maggiore lunghezza d'onda. Il telescopio spaziale JWST della NASA prenderà il sopravvento nel 2021 con uno specchio primario che ha un'area cinquanta volte più grande di quella di Spitzer.

Note e riferimenti

Appunti

1. La faccia di un satellite in orbita bassa rivolta verso la Terra può raggiungere una temperatura di −23  ° C a causa dell'emissione di radiazioni infrarosse da parte della Terra.

Riferimenti

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Vedi anche

Articoli Correlati

• Astronomia a infrarossi .
• Telescopio a infrarossi IRAS lanciato dalla NASA nel 1983.
• Telescopio a infrarossi ISO lanciato dall'Agenzia spaziale europea nel 1995.
• Programma dei Grandi Osservatori di cui Spitzer fa parte.
• JWST (2021) Spitzer ventosa
• Herschel (2009) Spitzer's Sucker

link esterno

• (it) Sito ufficiale
• (it) Archiviazione dei dati raccolti