Sulla strada per individuare la vita aliena

La maschera del piano focale per lo strumento coronagrafo sul telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA. Ogni sezione circolare contiene più “maschere”: ostruzioni opache progettate con cura per bloccare la luce delle stelle. Credito immagine: NASA/JPL-Caltech

All’inizio di agosto, scienziati e ingegneri si sono riuniti in un piccolo auditorium al Caltech per discutere su come costruire il primo telescopio spaziale in grado di rilevare la vita aliena su pianeti come la Terra.

Il concetto di missione proposto, l’Habitable Worlds Observatory (HWO), sarebbe il prossimo potente osservatorio astrofisico dopo il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA. Sarebbe in grado di studiare stelle, galassie e una miriade di altri oggetti cosmici, compresi i pianeti al di fuori del nostro sistema solare, noti come esopianeti, e potenzialmente anche la vita aliena.

Sebbene trovare vita aliena sugli esopianeti possa essere un’impresa ardua, il seminario del Caltech mirava a valutare lo stato della tecnologia di cui HWO ha bisogno cercare la vita altrove.

“Prima di poter progettare la missione, dobbiamo sviluppare il più possibile le tecnologie chiave”, afferma Dimitri Mawetmembro del Gruppo di Valutazione Tecnica (TAG) per HWOprofessore di astronomia David Morrisroe e ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL), che Caltech gestisce per la NASA.

“Siamo in una fase di maturazione tecnologica. L’idea è di far avanzare ulteriormente le tecnologie che consentiranno all’Habitable Worlds Observatory di fornire la sua scienza rivoluzionaria riducendo al minimo i rischi di superamento dei costi in futuro”.

Proposto per la prima volta come parte dell’Accademia Nazionale delle Scienze Indagine decennale su astronomia e astrofisica 2020 (Astro2020), una tabella di marcia decennale che delinea gli obiettivi per la comunità astronomica, che HWO lancerà alla fine degli anni ’30 o all’inizio degli anni ’40. Il tempo di osservazione della missione sarebbe diviso tra astrofisica generale e studi sugli esopianeti.

Sara Seager del MIT ha tenuto un discorso al seminario del Caltech intitolato “Towards Starlight Suppression for the Habitable Worlds Observatory”. Credito immagine: Caltech

“Il Decadal Survey ha raccomandato questa missione come massima priorità a causa delle capacità di trasformazione che avrebbe per l’astrofisica, insieme alla sua capacità di comprendere interi sistemi solari al di fuori del nostro”, afferma Fiona Harrisonuno dei due presidenti del rapporto decennale Astro2020 e Harold A. Rosen Professore di Fisica al Caltech, nonché Kent e Joyce Kresa Leadership Chair della Divisione di Fisica, Matematica e Astronomia.

La capacità del telescopio spaziale di caratterizzare le atmosfere degli esopianeti, e quindi di cercare tracce che potrebbero indicare la vita aliena, dipende dalle tecnologie che bloccano il bagliore di una stella distante.

Esistono due modi principali per bloccare la luce della stella: una piccola maschera interna al telescopio, detta a coronografo, e una grande maschera esterna al telescopio, nota come starshade. Nello spazio, le ombre stellari si dispiegherebbero in una gigantesca struttura a forma di girasole, come si vede in questo animazione.

Rappresentazione artistica di un pianeta simile alla Terra nella zona abitabile della sua stella. Il nuovo osservatorio cercherà la vita aliena. Credito immagine: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

In entrambi i casi, la luce delle stelle viene bloccata in modo da rivelare la debole luce stellare riflessa da un pianeta vicino. Il processo è simile a tenere la mano alzata per bloccare il sole mentre scatti una foto dei tuoi amici sorridenti.

Catturando direttamente la luce di un pianeta, i ricercatori possono quindi utilizzare altri strumenti chiamati spettrometri per esaminare quella luce alla ricerca delle firme chimiche. Se fosse presente qualche forma di vita su un pianeta in orbita attorno a una stella lontana, allora le inspirazioni e le espirazioni collettive di quella vita potrebbero essere rilevabili sotto forma di biofirme.

“Stimiamo che ci siano diversi miliardi di pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile solo nella nostra galassia”, afferma Nick Siegler, il capo tecnologo del programma di esplorazione degli esopianeti della NASA al JPL. La zona abitabile è la regione attorno ad una stella dove le temperature sono adatte per l’acqua liquida.

“Vogliamo sondare le atmosfere di questi esopianeti alla ricerca di ossigeno, metano, vapore acqueo e altre sostanze chimiche che potrebbero segnalare la presenza di vita. Non vedremo poco verde [alien] uomini ma piuttosto firme spettrali di queste sostanze chimiche chiave, o ciò che chiamiamo biofirme”.

Secondo Siegler, la NASA ha deciso di concentrarsi sul percorso coronografico per il concetto HWO, basandosi sui recenti investimenti in Telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA, che utilizzerà un coronografo avanzato per l’imaging di esopianeti gassosi. (L’IPAC del Caltech ospita il Centro di supporto scientifico romano).

Oggi, i coronografi sono in uso su molti altri telescopi, inclusi gli osservatori orbitanti JWST, Hubble e terrestri.

Mawet ha sviluppato coronografi da utilizzare negli strumenti dell’Osservatorio WM Keck in cima a Maunakea, una montagna sulla Grande Isola delle Hawaii.

La versione più recente, nota come coronografo a vortice, è stata inventata da Mawet e risiede all’interno del Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), uno strumento che consente ai ricercatori di immaginare e studiare direttamente le emissioni termiche di esopianeti giganti gassosi giovani e caldi.

Il coronografo annulla la luce di una stella al punto che lo strumento può scattare foto di pianeti che sono circa un milione di volte più deboli delle loro stelle. Ciò consente ai ricercatori di caratterizzare in dettaglio le atmosfere, le orbite e le rotazioni dei giovani esopianeti giganti gassosi, aiutando a rispondere a domande sulla formazione e l’evoluzione di altri sistemi solari.

Ma immaginare direttamente un pianeta Terra gemello, dove la vita come la conosciamo ha maggiori probabilità di prosperare, richiederà un enorme affinamento delle attuali tecnologie. I pianeti come la Terra che orbitano attorno a stelle simili al Sole nella zona abitabile si perdono facilmente nel bagliore delle loro stelle.

Il nostro sole, ad esempio, eclissa la luce della Terra di 10 miliardi di volte. Affinché un coronografo possa raggiungere questo livello di soppressione della luce stellare, i ricercatori dovranno spingere le loro tecnologie al limite.

“Man mano che ci avviciniamo sempre più a questo livello richiesto di soppressione della luce stellare, le sfide diventano esponenzialmente più difficili”, afferma Mawet.

I partecipanti al workshop del Caltech hanno discusso una tecnica coronografica che coinvolge controllo delle onde luminose con uno specchio deformabile ultrapreciso all’interno dello strumento.

Mentre i coronografi possono bloccare gran parte della luce di una stella, la luce diffusa può comunque farsi strada nell’immagine finale, apparendo come macchioline. Utilizzando migliaia di attuatori che spingono e tirano la superficie riflettente dello specchio deformabile, i ricercatori possono cancellare le macchie di luce stellare residua.

Il prossimo telescopio spaziale romano Nancy Grace sarà il primo a utilizzare questo tipo di coronografo, che viene definito “attivo” perché il suo specchio sarà attivamente deformato. Dopo ulteriori test al JPL, il coronografo romano sarà infine integrato nel telescopio finale del Goddard Space Flight Center della NASA e lanciato nello spazio entro il 2027.

Lo strumento coronografo romano consentirà agli astronomi di fotografare esopianeti fino a un miliardo di volte più deboli delle loro stelle. Ciò include sia giganti gassosi maturi che giovani, nonché dischi di detriti rimasti dal processo di formazione dei pianeti.

“Lo strumento coronografo romano è il prossimo passo della NASA lungo il percorso verso la ricerca della vita al di fuori del nostro sistema solare”, afferma Vanessa Baileyil tecnico dello strumento per il coronografo di Roman al JPL.

“Il divario prestazionale tra i telescopi di oggi e l’Habitable Worlds Observatory è troppo grande per essere colmato tutto in una volta. Lo scopo dello strumento coronografo romano è quello di essere quel trampolino di lancio intermedio. Dimostrerà molte delle tecnologie necessarie, comprese le maschere coronografiche e gli specchi deformabili, a livelli di prestazioni mai raggiunti prima al di fuori del laboratorio”.

La ricerca per ottenere un’immagine diretta di un gemello della Terra attorno a una stella simile al sole significherà spingere ulteriormente la tecnologia alla base del coronografo di Roman.

“Dobbiamo essere in grado di deformare gli specchi con una precisione pari al picometro”, spiega Mawet.

«Dovremo sopprimere la luce delle stelle di un altro fattore pari a circa 100 rispetto al coronografo di Roman. Il workshop ci ha aiutato a capire dove sono le lacune nella nostra tecnologia e dove dobbiamo fare maggiore sviluppo nel prossimo decennio”.

Altri argomenti di conversazione al workshop includevano il miglior tipo di specchio primario da utilizzare con il coronografo, i rivestimenti degli specchi, la gestione dei danni agli specchi causati dai micrometeoroidi, le tecnologie degli specchi deformabili, nonché rilevatori e strumenti avanzati per la modellazione e la progettazione integrate.

Gli ingegneri hanno anche fornito un aggiornamento sullo stato dello Starshade e sulla sua preparazione tecnologica.

Nel frattempo, mentre la tecnologia avanza, altri scienziati tengono gli occhi puntati sulle stelle alla ricerca di pianeti simili alla Terra e possibilmente di vita aliena che l’HWO immaginerebbe.

Più di 5.500 pianeti extrasolari sono stati scoperti finora, ma nessuno di loro è veramente simile alla Terra. Strumenti per la caccia al pianeta, come il nuovo guidato dal Caltech Keck Planet Finder (KPF) presso l’Osservatorio Keck, sono diventati più attrezzati per trovare pianeti cercando gli strattoni che esercitano sulle loro stelle mentre orbitano attorno.

I pianeti più pesanti esercitano una maggiore forza di traino, così come i pianeti che orbitano più vicini alle loro stelle. KPF è stato progettato per trovare pianeti delle dimensioni della Terra nelle zone abitabili delle piccole stelle rosse (le zone abitabili delle stelle rosse sono più vicine). Con ulteriori perfezionamenti nei prossimi anni, KPF potrebbe essere in grado di rilevare i gemelli della Terra.

Quando HWO verrà lanciato, alla fine degli anni ’30 o all’inizio degli anni ’40, gli scienziati sperano di avere un catalogo di almeno 25 pianeti simili alla Terra da esplorare.

Nonostante la lunga strada da percorrere, gli scienziati presenti al workshop hanno discusso con entusiasmo queste sfide con i loro colleghi che si erano recati a Pasadena da tutto il paese. La direttrice del JPL Laurie Leshin (MS ’89, PhD ’95) ha tenuto un discorso di incoraggiamento all’inizio dell’incontro.

“È una sfida emozionante e scoraggiante”, ha detto. “Ma è ciò per cui viviamo tutti. Non lo facciamo da soli. Lo facciamo in collaborazione”.

Scritto da Whitney Clavin

Fonte: Caltech