Inizia il viaggio di Euclid: osserverà l'Universo "oscuro"

Nel pomeriggio di sabato primo luglio, con un perfetto decollo dal Pad 39A in cima a un Falcon 9, è iniziato il viaggio del telescopio spaziale Euclid. A dispetto della sua apparente semplicità costruttiva si tratta del più avanzato apparato mai sviluppato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), e i suoi scopi sono estremamente ambiziosi.

Gli istanti del rilascio di Euclid in un fotogramma estratto dalla diretta del lancio (SpaceX/ESA)

L’obiettivo scientifico di Euclid è generare una mappa 3D dell’Universo. Lo farà osservando forma, dimensione e distanza di oltre un miliardo di galassie lontane sino a 10 miliardi di anni luce e distribuite in circa un terzo del cielo. Sono escluse dall’osservazione le regioni nelle prossimità del piano galattico perché dominate dalle stelle della Via Lattea e ricche di materia interstellare. Per ragioni simili è esclusa anche la regione dell’eclittica dove abbondano le polveri del nostro sistema solare.

L’immagine che segue evidenzia, oltre alle regioni oggetto di studio, anche le differenti survey che Euclid eseguirà.

ESA/Gaia/DPAC; Euclid Consortium.

Le osservazioni si divideranno in una wide survey (contorno blu, copre 15000 gradi quadrati) e deep survey (le tre regioni in giallo). Queste ultime, sebbene siano una piccola frazione del campo, impiegheranno il 10% dell’intero tempo di osservazione del telescopio. Per confronto, la piccola area gialla nell’emisfero superiore dell’immagine (Euclid Deep Field North) ha una superficie di soli 20 gradi quadrati. Le tre regioni, incluse le due nell’emisfero sud (Euclid Deep Field South e Euclid Deep Field Fornax), sono state selezionate perché collocate nei pressi del polo nord e sud dell’eclittica, garantendo così al telescopio il massimo tempo di osservazione.

Le precise rilevazioni che Euclid fornirà permetteranno di mappare le due entità più elusive dell’Universo e che tuttavia ne costituiscono ben il 95%: la materia oscura e l’energia oscura, così aggettivate perché gli astronomi non hanno fondamentalmente idea di cosa siano.
La materia oscura si ritiene costituisca il 25% di tutto l’Universo, non interagisce con la materia ordinaria (barionica) se non attraverso la gravità. L’energia oscura rappresenterebbe invece ben il 70% del Cosmo, e potrebbe essere all’origine dell’attuale accelerazione dell’espansione del nostro Universo ma non sappiamo come e perché!

Come farà Euclid a studiare qualcosa che non si vede?

Per farlo sfrutterà il fenomeno della lente gravitazionale, ovvero la distorsione che la luce subisce sul suo percorso quando si trova ad attraversare grandi ammassi di materia. Le lenti forti sono probabilmente quelle più note, dovute a immensi effetti relativistici che generano i fenomeni delle lenti di Einstein, archi e immagini multiple. Ci sono poi le lenti deboli, dovute a concentrazioni di materia meno massive che causano distorsioni molto lievi misurabili in soli pochi punti percentuali. La caratterizzazione degli ammassi di materia responsabili delle lenti deboli è possibile solo analizzando un gran numero di galassie.

L’osservazione della distorsione delle galassie nell’arco di 10 miliardi di anni di storia cosmica produrrà una visione tridimensionale della distribuzione della materia oscura. La mappa risultante fornirà indicazioni anche sull’energia oscura, che influenza l’evoluzione su larga scala dell’Universo.

Durante i primi 300.000 anni dopo il Big Bang, le fluttuazioni nel caldissimo plasma primordiale risultarono in onde acustiche che si propagarono attraverso questo mix di particelle e radiazione. Alla fine di questo periodo, un numero leggermente più alto di ammassi di galassie si formò in corrispondenza di queste increspature. Le increspature si allargarono di pari passo con l’espansione dell’Universo, con conseguente aumento della distanza tra le galassie. Euclid studierà la distribuzione delle galassie su distanze immense, individuando queste lievi distorsioni e determinandone le dimensioni. Questo permetterà di misurare con precisione l’espansione accelerata del Cosmo e ci darà ulteriori indizi per comprendere l’Universo invisibile.

ESA e Planck Collaboration / Gabriela Secara / Perimeter Institute

Dove e come opererà Euclid

Il telescopio lavorerà da una zona di osservazione privilegiata: percorrerà un’orbita halo attorno al punto lagrangiano L2 a 1.5 milioni di km dalla Terra. Anche se non siete esperti di meccanica orbitale potreste aver già sentito nominare questo punto di equilibrio gravitazionale perché usato spesso dagli osservatori spaziali, con il più famoso dei quali che è probabilmente il telescopio James Webb. L2 garantisce un’orbita stabile che richiede poco combustibile per il suo mantenimento e con visibilità della Terra quasi ininterrotta. La notevole distanza dal nostro corpo celeste inoltre aiuta a proteggere il telescopio dal calore irradiato dal pianeta nello spettro dell’infrarosso.

Dal punto di vista tecnico Euclid è costituito da un grande telescopio riflettore con diametro di 1.2 metri corredato da due rilevatori: il VISible Instrument (VIS) e NEAR-Infrared Spectrometer and Photometer (NISP).

VIS opererà nello spettro del visibile leggermente allargato verso l’infrarosso (550-900 nm), fornendo immagini estremamente nitide delle galassie. Il suo cuore è un array di 36 CCD ciascuno con una risoluzione di 16 MPx, che porta quindi la risoluzione complessiva dello strumento a 576 MPx. Sebbene l’obiettivo finale di Euclid sia la generazione matematica di una mappa tridimensionale dell’Universo, gli scienziati promettono che VIS produrrà immagini visivamente splendide.

piano focale di un modello di test per VIS con i 36 sensori. CEA France

Lo strumento NISP è invece dedicato all’osservazione nel vicino infrarosso (900-2000 nm) e in queste lunghezze d’onda è lo strumento con il maggior campo visivo (0.53 gradi quadrati) mai portato nello spazio. Consiste di un mosaico di 18 sensori con risoluzione di 4 MPx ciascuno. Oltre a misurare la luminosità e l’intensità della luce proveniente dalle galassie (i cosiddetti canali fotometrici dello strumento), svolgerà osservazioni spettroscopiche nell’intervallo 1100-2000 nm con la tecnica della slitless spectroscopy per mezzo di quattro reticoli a prisma (o grismi). La quantità di rilevazioni prodotte da NISP saturerebbe in fretta l’intera capacità di trasferimento di Euclid, e ha richiesto lo sviluppo di un potente computer dedicato alla compressione dei dati. In questo modo NISP riesce a generare solo 290 Gbit/giorno di dati a fronte di una memoria di massa installata a bordo di 4 Terabit (500 Gigabyte).

Le rilevazioni spettroscopiche, combinate con le immagini nel visibile, serviranno per misurare il red shift delle galassie osservate e collocarle così alla corretta distanza da noi.
I rilevatori dei due strumenti lavoreranno alle temperatura rispettivamente di -120 e -178°C.

Rendering degli strumenti di Euclid con i percorsi ottici dei due rilevatori. Airbus/ESA

L’alimentazione di Euclid sarà fornita da un grande pannello solare collocato sopra uno scudo termico. La funzione di quest’ultimo è di proteggere il telescopio dalla radiazione solare, permettendo il funzionamento alle temperature criogeniche desiderate.
La necessità di restare sempre schermato dal Sole vincola l’osservazione di alcune regioni di cielo alla stagionalità del posizionamento del telescopio. Sono agevolate le regioni nei dintorni dei poli dell’eclittica, osservabili in qualunque momento dell’anno.

Stiamo in attesa…

Il viaggio di Euclid verso L2 durerà circa un mese, nel corso dei quali sarà portato a termine il raffreddamento degli strumenti. Per circa ulteriori due mesi il telescopio svolgerà attività di test e verifica, e finalmente a inizio autunno dovremmo ricevere le prime immagini.
La missione primaria richiederà 6 anni, con una potenziale missione estesa che potrebbe durare ulteriori 5 anni.

Euclid è il frutto di una collaborazione internazionale che ha visto lavorare insieme più di 300 istituzioni di 21 paesi, 80 aziende e oltre 3500 persone.
Una piccola nota tricolore riguarda il fatto che una parte importante del telescopio, il suo modulo di servizio, ha visto la luce a Torino nei laboratori della Thales Alenia Space.