Nancy-Grace-Roman (telescopio spaziale)

Telescopio spaziale
Nancy-Grace-Roman Descrizione di questa immagine, commentata anche di seguito Rappresentazione artistica del telescopio WFIRST (2018). Dati generali
Organizzazione Goddard ( NASA )
Costruttore Ball Aerospace , Harris
Programma ExEP
Campo Energia oscura , esopianeti
Stato In sviluppo
Altri nomi WFIRST
Lanciare Intorno al 2025
Launcher Falcon Heavy / New Glenn o equivalente
Durata 5 anni (missione primaria)
Luogo [1]
Caratteristiche tecniche
Messa al lancio Circa 5 tonnellate
Controllo dell'atteggiamento 3 assi stabilizzati
Fonte di energia Pannelli solari
Orbita
Orbita Orbita quasi alone
Periapsis 188.400 km
Apoapsis 807.000 km
Posizione Punto di Lagrange L2 del sistema Terra-Sole
Periodo 6 mesi
Telescopio
genere Sistema anastigmatico a tre specchi
Diametro 2,36 m
Focale 8,90 m
Lunghezza d'onda Visibile e vicino infrarosso (0,48-2 micron)
Strumenti principali
WFI Spettroscopio per immagini
CGI Coronografo

Lo Space Telescope Nancy Grace-Roman (in inglese Nancy Grace Roman Space Telescope ) o il più corto telescopio spaziale Roman ( Roman Space Telescope ), precedentemente chiamato Wide Field Infrared Survey Telescope ( WFIRST ) è un telescopio spaziale a infrarossi sviluppato dall'agenzia spaziale statunitense , la NASA .

Lo sviluppo di WFIRST da parte dell'agenzia spaziale ha avuto origine nel rapporto decennale 2020 del Consiglio nazionale delle ricerche degli Stati Uniti che attribuisce la massima priorità alla realizzazione di un osservatorio spaziale per lo studio dell'energia oscura . Questa forma di energia, la cui esistenza è stata scoperta indirettamente nel 1998, è una componente importante dell'Universo, ma la sua natura è oggetto di speculazione. WFIRST si propone anche di effettuare un censimento statistico (massa e distanza dalla loro stella) di esopianeti situati nel bulbo galattico mediante l'osservazione di microlenti gravitazionali e di identificare e caratterizzare quelli situati vicino al sistema solare con l'aiuto di un coronografo . Il terzo obiettivo è mappare l'intero cielo nell'infrarosso . Il telescopio spaziale WFIRST ha uno specchio primario di 2,4 metri donato dall'NRO ed è dotato di due strumenti: un imager / spettrografo e un coronografo . Le osservazioni vengono effettuate in luce visibile e nel vicino infrarosso (da 0,48 a 2 micron ). Per raggiungere i suoi obiettivi, il telescopio spaziale ha una breve lunghezza focale con un ampio campo visivo. I suoi strumenti gli consentono di produrre immagini della qualità del telescopio Hubble che coprono circa 100 volte l'area (0,281 gradi quadrati). Il coronografo sperimentale combina diverse tecniche che gli consentono di mascherare una stella 100 milioni di volte più luminosa dei pianeti che le ruotano attorno.

WFIRST, il cui costo è limitato a 3,2 miliardi di dollari, è entrato in una fase di sviluppo attivo nel febbraio 2016 e il progetto continua nonostante i due tentativi di cancellazione da parte del presidente Donald Trump nel 2018 e nel 2019 con il pretesto di sforamenti. campo dell'astronomia. Il telescopio spaziale sarà lanciato intorno al 2025 e posto in orbita attorno al punto Lagrange L2 del sistema Terra-Sole. La sua missione primaria dura 5 anni e trasporta materiali di consumo ( propellenti ) garantendone il funzionamento per 10 anni.

Contesto

WFIRST è il risultato della convergenza di diversi progetti di osservatori spaziali i cui obiettivi erano lo studio dell'energia oscura , il rilevamento di esopianeti mediante l'osservazione di microlenti gravitazionali e la mappatura del cielo nell'infrarosso . Nel 2000, il progetto del telescopio spaziale GEST ( Galactic Exoplanet Survey Telescope ), il cui obiettivo è sia l'uso di microlenti gravitazionali che lo studio dell'energia oscura, è stato proposto alla NASA ma non è stato mantenuto. Questo progetto viene modificato nel decennio successivo e diventa MPF ( Microlensing Planet Finder ) che si propone al momento della redazione del rapporto decennale 2010 fissando le priorità nel campo dell'astronomia e dell'astrofisica per il decennio successivo.

Poco dopo aver scoperto l' energia oscura nel 1998 , Saul Perlmutter ( Premio Nobel 2011 per questo risultato), ha proposto con Michael Levi lo sviluppo dell'osservatorio spaziale SNAP ( Supernova Acceleration Probe ). Lo studio di questa missione viene svolto all'interno del Dipartimento dell'Energia . La sua fusione con uno studio simile condotto all'interno della NASA porta al progetto JDEM ( Joint Dark Energy Mission ) guidato da Neil Gehrels del Goddard Space Flight Center . La scoperta dell'energia oscura porta a molteplici proposte di osservatori spaziali all'interno dei centri di ricerca americani: ADEPT ( Advanced Dark Energy Physics Telescope ) è proposto da un team della Johns-Hopkins University . I ricercatori del National Optical Astronomy Observatory propongono Destiny ( Dark Energy Space Telescope ). JEDI ( Joint Efficient Dark Energy Investigation ) è proposto da un ricercatore dell'Università dell'Oklahoma . La NASA e l' Agenzia spaziale europea (ESA) stanno brevemente considerando di fondere i loro progetti JDEM ed Euclid (per l'ESA) in IDECS ( International Dark Energy Cosmology Surveyor ). Questa fusione non ha avuto successo, ma le due agenzie hanno deciso di collaborare ai rispettivi progetti. La mappatura del cielo a infrarossi , terzo obiettivo del WFIRST, è oggetto del progetto NIRSS ( Near Infrared Sky Surveyor ), proposto da Daniel Stern del Jet Propulsion Laboratory .

Storia del progetto WFIRST

WFIRST: un progetto prioritario (2010)

Le priorità nel campo dell'astronomia e dell'astrofisica sono fissate ogni dieci anni in un rapporto pubblicato dal Consiglio nazionale delle ricerche degli Stati Uniti e scritto dalla comunità scientifica. Il rapporto pubblicato nel 2010 e intitolato New Worlds, New Horizons stabilisce le priorità per il decennio 2015-2025. Raccomanda di fondere gli obiettivi dei progetti NIRSS, MPF e JDEM all'interno del WFIRST ( Wide Field Infrared Survey Telescope ) a cui viene data la massima priorità. WFIRST consiste nello studiare la natura dell'energia oscura utilizzando tre tecniche in parallelo: misurare le oscillazioni acustiche dei barioni , misurare le distanze dalle supernove e studiare le lenti gravitazionali deboli . L'obiettivo è determinare l'impatto dell'energia oscura sull'evoluzione dell'Universo. Un altro obiettivo di WFIRST è lo studio degli esopianeti nel bulbo centrale della nostra galassia attraverso l'osservazione di lenti gravitazionali. Per raggiungere questi obiettivi, il telescopio previsto avrà uno specchio primario di 1,5 metri di diametro con un campo visivo esteso. Può osservare il vicino infrarosso e ha capacità di spettroscopia a bassa risoluzione. Il costo del progetto è stimato a 1,6 miliardi di dollari e la data di lancio prevista è il 2020. Una fase di studio guidata da sei persone inizia all'interno della NASA. Il progetto fa parte del programma Exoplanet Exploration (ExEP) che include anche il telescopio spaziale Kepler e l'interferometro LBTI del Large Binocular Telescope .

Vendita alla NASA dell'ottica dei satelliti da ricognizione NRO

Il progetto iniziale di WFIRST si basa sull'uso di ottiche con uno specchio primario di diametro compreso tra 1,1 e 1,5 metri. Ma nel giugno 2012 l'American National Reconnaissance Office (NRO) ha venduto alla NASA, senza compensazione finanziaria, due telescopi ottici con un valore unitario di 250 milioni di dollari. Questi sono stati prodotti da ITT / Exelis per il progetto di ricognizione satellitare FIA-Optical interrotto durante lo sviluppo. L'ottica, dal satellite FIA-Ottico, che comprende uno specchio primario di 2,4 metri di diametro, è progettata per fornire immagini che coprono vaste aree in modo da completare le immagini molto più dettagliate prodotte dalla famiglia di satelliti di riconoscimento del NRO KH- 11 Kennen e Crystal che sono in funzione dal 1976. Solo la parte ottica è venduta da NRO. La strumentazione scientifica e il bus (modulo di servizio) devono ancora essere progettati e prodotti dalla NASA.

Riprogettazione del progetto

La NASA decide di adattare il suo progetto WFIRST, temporaneamente ribattezzato WFIRST-AFTA ( Astrophysics Focused Telescope Assets ), al fine di utilizzare uno dei due gruppi ottici (il secondo sistema ottico per mancanza di mezzi finanziari non sarà utilizzato dallo spazio agenzia). Questa nuova configurazione dovrebbe consentire di ridurre il costo stimato in quel momento a $ 1,7 miliardi migliorando le prestazioni di un telescopio spaziale. Uno studio architettonico dettagliato che incorpora questo nuovo elemento è stato pubblicato nel maggio 2013. Conferma l'interesse di queste modifiche e l'agenzia spaziale americana decide di adottare l'obiettivo ceduto dalla NRO. Ma l'utilizzo del nuovo mirror aumenta notevolmente il costo del progetto. Inoltre le ottiche rinunciate non sono ottimizzate per l'osservazione infrarossa, mentre questa radiazione è indispensabile per lo studio di galassie lontane e quindi dell'energia oscura. Il telescopio spaziale doveva avere solo una telecamera attrezzata per la spettroscopia. Per compensare la riduzione delle prestazioni nell'infrarosso, la NASA decide di aggiungere un coronografo che dovrebbe consentire lo studio degli esopianeti. Inizialmente il telescopio spaziale è progettato per essere posizionato in un'orbita geosincrona con un'inclinazione orbitale di 28,5 °. Rispetto a un'orbita attorno al punto di Lagrange L2, l'orbita geosincrona presenta diversi vantaggi. Il principale riguarda il volume di dati trasferiti, un fattore molto importante per WFIRST: in un'orbita geosincrona, il telescopio spaziale vola sempre sopra la stessa regione della Terra, il che consente di trasferire i dati in modo continuo. Attorno al punto di Lagrange L2, il trasferimento deve essere effettuato durante turni limitando il volume e richiedendo il trasporto di una memoria di massa di grande capacità. Il principale vantaggio dell'orbita attorno al punto di Lagrange L2 è l'eliminazione dei vincoli di osservazione legati alla vicinanza della Terra e della Luna. Lo studio del 2015 non propone alcuna raccomandazione ma, successivamente, l'orbita geosincrona viene abbandonata.

Confronto tra la versione originale (IDRM) e la versione AFTA
Caratteristica IDRM AFTA
Ottico Specchio ∅ 1,3 m fuori asse Specchio ∅ 2,4 m in asse
Strumenti Imager WFI con prisma
2 spettrografi 		WFI con grism Spettrografo a
pieno campo
Coronografo
Spettro osservato 0,6-2,0 micron
Campo visivo 0,291 gradi² 0,281 gradi²
Risoluzione spaziale 0,18 secondi d'arco 0,11 secondi d'arco
Pixel dell'immagine 120 milioni 300 milioni
Orbita Punto di Lagrange L2 Orbita geostazionaria

La NASA sta continuando la fase di studio nel 2014. Nel budget proposto per il 2015 dispone dei fondi necessari per proseguire la progettazione del coronografo e dei rivelatori degli strumenti, ma che non le consente però di avviare la costruzione del telescopio spaziale. Data la lunghezza della fase di progettazione e produzione, il telescopio non dovrebbe entrare in orbita prima della metà degli anni 2020 (valutazione 2014). Il progetto entra ufficialmente in una fase di sviluppo il 18 febbraio 2016.

Tenta di annullare il progetto del presidente Trump

Lo sviluppo del coronografo molto sofisticato, che richiede una fase di sviluppo complessa, i necessari adattamenti dell'ottica e alcune opzioni mantenute dal team della NASA durante lo studio - telescopio progettato per la vita di manutenzione continua, possibilità di associare un coronografo esterno ( starshade ), scelta ibrida (interna / esterna) dei fornitori, selezione di due centri di elaborazione dati, ecc. - il rischio di slittamento è notevolmente aumentato. Secondo una relazione di valutazione esterna effettuata nell'ottobre 2017, che evidenzia queste derive del progetto, il costo del progetto si attesta ora a 3,9 miliardi di dollari, ovvero quasi il doppio della dotazione di 1,6 miliardi di dollari definita nel 2010. Inoltre, questo il costo non include il margine di rischio di 300 milioni di dollari che un progetto di queste dimensioni dovrebbe incorporare. Tuttavia, questo costo aggiuntivo è attribuito alla somma di 1,1 miliardi di dollari per cause normali (inclusi 0,7 miliardi di dollari per l'inflazione, 0,3 miliardi di dollari per l'adattamento del progetto allo specchio da 2,4 milioni di dollari). E 0,1 miliardi di dollari ). I funzionari della NASA stanno decidendo diverse misure per ridurre sia i costi che i rischi. Il principale è fare del coronografo un semplice dimostratore tecnologico, il CDTI ( Coronograph Technology Demonstration Instrument ). Un tetto di 3,2 miliardi di dollari USA è fissato al costo complessivo del progetto. Sulla base delle decisioni prese, i funzionari della NASA hanno deciso nell'aprile 2018 che il progetto può entrare nella fase B (progettazione preliminare).

I ricorrenti sforamenti del budget dell'osservatorio spaziale a infrarossi JWST , in fase di sviluppo, hanno ridotto drasticamente le risorse finanziarie della divisione astrofisica della NASA. Basandosi su questo sfondo, sullo slittamento di bilancio della WFIRST e sostenendo che ci sono priorità più elevate per l'agenzia spaziale, il presidente Donald Trump sta cercando di fermare il progetto due volte. Un primo tentativo avviene nell'ambito della definizione del budget 2019 dell'Agenzia spaziale (votato a marzo 2018) e un secondo durante la definizione del budget 2020 (votato a marzo 2019). La proposta di cancellazione suscita una vigorosa reazione da parte della comunità scientifica che ci ricorda che il progetto è stato definito come una priorità per il prossimo decennio. In entrambi i casi il Congresso americano vota i fondi permettendo la prosecuzione del progetto.

Sviluppo

Il progetto è gestito dal Goddard Space Flight Center , una struttura dell'osservatorio spaziale della NASA. È assistito dal Jet Propulsion Laboratory . Nel gennaio 2018 è stato firmato dalla NASA un contratto da 23 milioni di dollari con la società Teledyne per la fornitura di 72 rivelatori a infrarossi che analizzeranno la luce raccolta dallo strumento WFI. Nel maggio 2018, la NASA ha affidato a Ball Aerospace lo sviluppo, il test e il supporto operativo della parte opto-meccanica dello strumento WFI per un importo di 113,2 milioni di dollari. All'inizio del 2019, il progetto ha un margine di 9 mesi rispetto all'obiettivo di lancio del 2025. Il 28 agosto 2019, il progetto ha superato con successo la fase di revisione preliminare del progetto nonostante due tentativi di annullamento del progetto.

Nel 2020, il telescopio spaziale prende il nome dell'astrofisica americana Nancy Grace Roman , responsabile dello sviluppo dei primi telescopi spaziali della NASA e che ha svolto un ruolo trainante nel lancio del progetto Hubble Space Telescope mobilitando la comunità degli astronomi.

Obiettivi scientifici

Gli obiettivi della missione WFIRST sono i seguenti:

Determinare la natura dell'energia oscura

La dimensione dell'universo si sta espandendo ma a causa delle forze di gravità, la velocità della sua espansione dovrebbe diminuire, ma non è questo ciò che si osserva. Questo fenomeno scoperto all'inizio degli anni '90 e che apparentemente si oppone al rallentamento, è stato soprannominato energia oscura . L'energia oscura costituisce tre quarti della massa / energia dell'universo. Quando il progetto è stato lanciato nel 2014, come nel 2019, la sua natura è rimasta uno dei principali enigmi nel campo della cosmologia. L'obiettivo principale di WFIRST è cercare di rispondere alle principali domande sollevate dall'energia oscura: varia nel tempo? richiede una modifica della teoria della relatività generale di Einstein o è davvero un nuovo tipo di energia? Per rispondere a questa domanda, il telescopio spaziale utilizzerà tre tecniche per determinare il tasso di espansione dell'universo attraverso i secoli e il tasso di crescita di grandi strutture (galassie, gruppi di galassie). Questi metodi sono:

Censimento e studio di esopianeti

Due diversi metodi vengono utilizzati per rilevare e caratterizzare esopianeti situati nelle vicinanze del sistema solare:

Mappatura delle sorgenti infrarosse situate nella Via Lattea

WFIRST dovrebbe consentire di effettuare uno studio sistematico e dettagliato (immagini e spettro elettromagnetico) delle sorgenti del vicino infrarosso situate nella Via Lattea e degli oggetti celesti presenti proprio all'inizio dell'universo. Questo obiettivo deve essere raggiunto sfruttando le osservazioni fatte per realizzare i primi due obiettivi integrati da programmi di studio dedicati a questa materia.

Osservazione di sorgenti luminose a bassa intensità

L'osservazione di sorgenti luminose di bassa intensità (specialmente lo spazio profondo ) richiede di scattare foto con esposizioni molto lunghe che richiedono di monopolizzare l'uso di un telescopio per lunghi periodi. Le prestazioni di WFIRST sono nettamente superiori a quelle di Hubble, che si è comunque distinta per i migliori risultati ottenuti in questo campo. La durata delle campagne di osservazione condotte da Hubble, come COSMOS (2007), CANDELS-Wide (2011), 3-D HST (2016), FIGS (2017) e PHAT (2012), sarebbe stata divisa per un fattore tra 125 e 1475 se fossero stati effettuati con WFIRST dando gli stessi obiettivi di sensibilità. Le campagne di osservazione di WFIRST dovrebbero quindi fornire da 100 a 1000 volte più informazioni di quelle di Hubble.

Caratteristiche tecniche

Caratteristiche principali

Le caratteristiche del progetto si sono evolute notevolmente durante la fase di studio. Le caratteristiche qui fornite corrispondono in alcuni casi alla versione AFTA che incorpora lo specchio di 2,4 metri di diametro descritto nel rapporto pubblicato a marzo 2015. WFIRST ha una massa stimata di 5,1 tonnellate di cui 1,8 tonnellate per il telescopio e 800  kg di strumentazione. La propulsione è fornita da 8 motori a razzo con propellenti liquidi di 22 newton di spinta alimentati con idrazina per semplice rilassamento. WFIRST trasporta poco più di 100 kg di propellenti . È stabilizzato su 3 assi e utilizza ruote di reazione per controllare il suo orientamento che deve consentire una precisione di puntamento di 3 secondi d'arco . Una delle caratteristiche principali del telescopio spaziale è il volume di dati generato dalle osservazioni: 11 terabit di dati vengono generati giornalmente dagli strumenti. Vengono trasmessi alle stazioni terrestri in banda Ka tramite un'antenna parabolica con una velocità di 290 megabit / secondo.

Parte ottica

Le ottiche di WFIRST sono del tipo anastigmatico con tre specchi . Utilizza uno specchio primario di 2,36  m di diametro la cui fabbricazione è stata completata nel 2014. Simile per dimensioni a quella del telescopio spaziale Hubble, pesa solo un quinto del suo peso perché la tecnologia è notevolmente avanzata in questo campo. La sua sensibilità e risoluzione spaziale sono simili a quelle di Hubble, ma il suo campo visivo è 100 volte più grande. Il campo visivo effettivo è di 0,281 gradi² (con lo spazio centrale di 0,32 gradi²). La lunghezza focale dell'intera ottica è 7,9. La radiazione osservata include la luce visibile e il vicino infrarosso (da 0,45 a 2 micron). Un meccanismo permette di modificare la posizione dello specchio secondario con 6 gradi di libertà per regolarne l'allineamento in orbita e ottenere una messa a fuoco fine.

La radiazione luce raccolta dal telescopio viene analizzato da un WFI ( largo Instrument campo ) largo campo imager / spettroscopio e un CGI ( Coronagraph Instrument ) coronografo .

Spettroscopio di imaging WFI

Il WFI ( Wide Field Instrument ) è uno spettrografo di imaging che include:

Coronografo CGI

Il coronagraph CGI Coronagraph Instrument ) è il primo strumento di questo tipo che utilizza maschere ottimizzate utilizzando tecniche digitali. Lo strumento, sviluppato sotto la supervisione del Jet Propulsion Laboratory , ha tre modalità di osservazione:

I rilevatori del coronografo sono progettati per consentire l'uso di un coronografo esterno ( starshade ) come quello che verrebbe utilizzato dal futuro telescopio HabEx (progetto in corso di valutazione).

Conduzione della missione

WFIRST deve essere posto in orbita da un lanciatore di classe Falcon Heavy o New Glenn che decolla dalla rampa di lancio di Cape Canaveral . La missione primaria dovrebbe durare 5 anni. Il telescopio trasporta materiali di consumo ( propellenti ) che ne garantiscono il funzionamento per 10 anni. WFIRST deve essere posizionato in un'orbita quasi alone attorno al punto di Lagrange L2 del sistema Terra-Sole. Le varie apparecchiature del telescopio spaziale sono progettate in modo tale da consentirne la manutenzione da parte di una missione spaziale robotica durante la sua vita.

Programma di osservazione

Sia per proteggere l'ottica dalla radiazione solare, mantenere la sua temperatura al di sotto del valore necessario per l'osservazione della radiazione infrarossa e consentire ai pannelli solari di fornire energia sufficiente, il telescopio viene puntato in una direzione facendo un angolo compreso tra 54 ° e 126 ° con rispetto alla direzione del Sole (= 0 °) e il movimento di rollio di WFIRST è limitato a più o meno 15 °. L'orientamento del telescopio nella terza direzione è completamente libero.

Il programma di osservazione durante la missione primaria quinquennale è riassunto nella seguente tabella:

Programma di osservazione durante la missione primaria.

gravitazionali microlenti 		Imaging Spettrografia Osservazione di supernove
Banda spettrale Z , W. Y , J , H , F184 1,35 - 1,95 µm (R = 461 λ) Grande: Y , J
medio: J , H
profondo: J , H
Porzione di cielo osservata
( grado quadrato )		 2,81 gradi 2 2000 gradi 2 2000 gradi 2 Grande: 27,44 gradi 2
medio: 8,96 gradi 2
profondo: 5,04 gradi 2
Massima grandezza osservabile - Y = 25,6
J = 26,7
H = 26,5
F184 = 25,8		 0,5 × 10 −16  erg s −1  cm 2 a 1,65 μm Grande: Y = 27,1, J = 27,5
medio: J = 27,6, H = 28,1 in
profondità: J = 29,4, H = 29,4
Durata delle osservazioni 6 × 72 giorni 1,3 anni 0,6 anni 0,5 anni (con un intervallo di 2 anni)
Rivisita la frequenza W  : ogni 15 minuti
Z  : ogni 12 ore		 - - ogni 5 giorni
  1. Bande spettrali  :
    R = 0,48-0,76 μm ,
    Z = 0,76-0,977 μm,
    Y = 0,927-1,192 μm,
    J = 1,131-1,454 μm,
    H = 1,380-1,774 μm
    F184 = 1,683- 2 μm,
    W (ide) = 0,927-2 μm

Durante la missione primaria, circa il 25% del tempo di osservazione sarà riservato a proposte di scienziati esterni al progetto. Questi saranno selezionati da un comitato scientifico. Oltre alla missione primaria, sarà messo a disposizione tutto il tempo di osservazione.

Segmento terrestre

L'attrezzatura di terra utilizzata durante la missione WFIRST comprende due stazioni terrestri - White Sands nell'emisfero settentrionale e una da designare stazione nell'emisfero meridionale - che sono responsabili della raccolta dei dati inviati quotidianamente da WFIRST. Questi dati vengono poi elaborati e distribuiti da due centri collegati alla NASA: l' STScI , noto in particolare perché elabora e distribuisce i dati del telescopio Hubble , e l' IPAC che è un centro specializzato nell'elaborazione dei dati forniti dai telescopi che operano in l' infrarosso .

Note e riferimenti

Appunti

  1. la differenza con un'orbita halo è che la navicella non passa di nuovo esattamente negli stessi punti dopo aver completato un'orbita

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Vedi anche

Bibliografia

Documenti che riflettono la configurazione di WFIRST al momento del PDR

Articoli Correlati

Siti esterni