Alcuni strati di ghiaccio d’acqua – larghi quanto un filamento di DNA – stanno cominciando a influenzare la visione di Euclid, il telescopio spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea progettato per studiare l’espansione dell’universo, la materia oscura e l’energia oscura. Si tratta di un problema comune per i veicoli nel freddo glaciale dello Spazio, ma rappresenta una criticità per questa missione altamente sensibile che richiede una precisione notevole. Dopo mesi di ricerca, i team di Euclid in tutta Europa stanno ora testando una procedura recentemente ideata per sghiacciare (de-icing) l’ottica della missione. Se avranno successo, le operazioni convalideranno il piano dei team di missione per mantenere il sistema ottico di Euclid il più possibile privo di ghiaccio per il resto della sua vita in orbita.
La vista di Euclid si annebbia
Nei mesi recenti, mentre si perfezionavano e si calibravano gli strumenti di Euclid dopo il lancio e ci si preparava all’inizio del primo rilevamento della missione, gli esperti delle operazioni scientifiche hanno notato una diminuzione lieve ma progressiva della quantità di luce misurata dalle stelle osservate ripetutamente col visible instrument (VIS).
Euclid sta avendo un problema comune che le navicelle spaziali affrontano una volta giunte nello Spazio: l’acqua assorbita dall’aria durante l’assemblaggio sulla Terra viene ora rilasciata gradualmente da certi componenti, liberata dal vuoto dello Spazio. Nel freddo glaciale del nuovo ambiente di Euclid, queste molecole d’acqua rilasciate tendono ad attaccarsi alla prima superficie vicina possono causare problemi.
“Abbiamo confrontato la luce delle stelle che entrava attraverso lo strumento VIS con la luminosità registrata delle stesse stelle in tempi precedenti, viste sia da Euclid che dalla missione Gaia dell’ESA,” ha spiegato Mischa Schirmer, calibration scientist per il consorzio Euclid e uno dei principali designer del nuovo piano di sghiacciamento. “Alcune stelle nell’Universo variano nella loro luminosità, ma la maggior parte rimane stabile per molti milioni di anni. Quindi, quando i nostri strumenti hanno rilevato un declino tenue e graduale dei fotoni in ingresso, sapevamo che non erano loro – eravamo noi“.
Era stato previsto che l’acqua potesse accumularsi gradualmente e contaminare la visione di Euclid, poiché è molto difficile costruire e lanciare un veicolo dalla Terra senza che un po’ dell’acqua presente nell’atmosfera del nostro pianeta vi si insinui.
Per questo motivo, c’è stata una campagna di “outgassing” poco dopo il lancio, durante la quale il telescopio è stato riscaldato da riscaldatori a bordo ed è stato anche parzialmente esposto al Sole, sublimando la maggior parte delle molecole d’acqua presenti al lancio sopra o molto vicino alle superfici di Euclid. Una frazione considerevole, tuttavia, è sopravvissuta, assorbita nell’isolamento multistrato, ed è ora stata rilasciata lentamente nel vuoto dello Spazio.
Dopo una quantità enorme di ricerche – inclusi studi di laboratorio su come sottili strati di ghiaccio sulle superfici dei specchi disperdano e riflettano la luce – e mesi di calibrazioni nello Spazio, il team ha stabilito che diversi strati di molecole d’acqua sono probabilmente congelati sui specchi nell’ottica di Euclid. Probabilmente si tratta solo pochi o poche decine di nanometri di spessore – equivalenti alla larghezza di un filamento di DNA – ed è una testimonianza notevole della sensibilità della missione che rileva quantità così piccole di ghiaccio.
Mentre le osservazioni scientifiche di Euclid proseguono, i team hanno elaborato un piano per capire dove si trova il ghiaccio nel sistema ottico e mitigarne l’impatto ora e in futuro, se continua ad accumularsi.
Nuovo piano per decontaminare Euclid da 1,5 milioni di km di distanza
“Una missione complessa richiede una risposta unita da parte dei team in tutta Europa, e sono incredibilmente grato per lo sforzo e le competenze che molti hanno riversato in questo,” ha affermato Ralf Kohley, scienziato delle operazioni strumentali di Euclid che ha coordinato la risposta. “È stato necessario il lavoro dei team presso il cuore tecnico dell’ESA all’ESTEC nei Paesi Bassi, il centro delle operazioni scientifiche dell’ESAC a Madrid e il Flight Control Team presso il centro di controllo della missione ESOC a Darmstadt – ma non avremmo potuto farlo senza il consorzio Euclid e i contributi fondamentali che abbiamo ricevuto dal contraente principale della navicella spaziale Thales-Alenia-Space e dal suo partner industriale Airbus-DS“.
L’opzione più semplice sarebbe utilizzare la procedura di decontaminazione sviluppata molto prima del lancio e riscaldare l’intero veicolo. I team al controllo di missione invierebbero i comandi per accendere tutti i riscaldatori a bordo per diversi giorni, aumentando gradualmente le temperature da circa -140°C a (in alcune parti) un “caldo” -3°C.
Fare ciò pulirebbe l’ottica ma riscalderebbe anche l’intera struttura meccanica del telescopio. Poiché la maggior parte dei materiali si espande quando si riscalda e non ritorna necessariamente allo stesso stato dopo un periodo di raffreddamento di una settimana, si potrebbe avere una differenza potenzialmente sottile nell’allineamento ottico di Euclid. Ciò non va bene per una missione così sensibile dove gli effetti possono essere notati sull’ottica da un cambiamento di temperatura di solo una frazione di grado, richiedendo almeno diverse settimane di ricalibrazione accurata.
“La maggior parte delle altre missioni spaziali non ha requisiti così esigenti per la ‘stabilità termo-ottica’ come Euclid,” ha spiegato Andreas Rudolph, direttore del volo di Euclid presso il controllo delle missioni dell’ESA. “Per soddisfare gli obiettivi scientifici di Euclid di creare una mappa tridimensionale dell’Universo osservando miliardi di galassie fino a 10 miliardi di anni luce di distanza, su più di un terzo del cielo, significa che dobbiamo mantenere la missione incredibilmente stabile – e ciò include la sua temperatura. Accendere i riscaldatori nel modulo di carico utile deve quindi essere fatto con estrema attenzione“.
Per limitare i cambiamenti termici, il team inizierà riscaldando individualmente parti ottiche a basso rischio del veicolo, situate in aree dove è improbabile che l’acqua rilasciata contaminerà altri strumenti o ottiche. Si inizierà con due dei specchi di Euclid che possono essere riscaldati indipendentemente. Se la perdita di luce persiste e inizia ad avere un impatto sulla ricerca scientifica, continueranno a riscaldare altri gruppi di specchi di Euclid, controllando ogni volta quale percentuale di fotoni ricevono.
Piccole quantità d’acqua continueranno ad essere rilasciate all’interno di Euclid durante la durata della missione, quindi è necessaria una soluzione a lungo termine per sghiacciare regolarmente le sue ottiche senza occupare troppo tempo prezioso della missione. Euclid ha 6 anni per completare il suo rilevamento.
“VIS misurerà la debole lente gravitazionale – come la materia nell’Universo si è ammassata sotto l’influenza della gravità mentre l’Universo si espande – e per capire questo, più galassie osserviamo, meglio è,” ha spiegato Reiko Nakajima, scienziato dello strumento VIS. “Lo sghiacciamento dovrebbe ripristinare e preservare la capacità di Euclid di raccogliere la luce da queste antiche galassie, ma è la prima volta che facciamo questa procedura. Abbiamo buone supposizioni su quale superficie si attacchi il ghiaccio, ma non saremo sicuri fino a quando non lo faremo“.
Schirmer ha concluso: “Una volta isolata l’area interessata, la speranza è che possiamo semplicemente riscaldare questa parte isolata del veicolo in futuro secondo necessità. Quello che stiamo facendo è molto complesso e dettagliato, in modo da poter risparmiare tempo prezioso in futuro – sono estremamente emozionato discoprire esattamente dove si sta accumulando questo ghiaccio d’acqua e quanto bene funzionerà il nostro piano“.
Nonostante quanto comune sia questo problema di contaminazione per i veicoli spaziali che operano in condizioni fredde, c’è sorprendentemente poca ricerca pubblicata su come esattamente il ghiaccio si forma su specchi ottici e il suo impatto sulle osservazioni. Non solo Euclid potrebbe rivelare la natura della materia oscura, ma potrebbe anche fare luce su un problema che da tempo affligge i nostri occhi vaganti nello Spazio, scrutando giù sulla Terra e al di là dell’Universo.
