Un nuovo sistema ottico che imita la struttura degli occhi di un'aragosta consentirebbe a una missione concettuale di classe Explorer di localizzare con precisione, caratterizzare, e allertare altri osservatori sulla fonte delle onde gravitazionali, che sono causati da alcuni degli eventi più potenti dell'universo.

Il Goddard Space Flight Center a Greenbelt, Maryland, studierà la fattibilità dell'Osservatorio Astrofisico Transitorio sulla Stazione Spaziale Internazionale, o ISS-TAO. La missione è stata selezionata, insieme ad altri due concetti classificati in modo simile, come potenziale Missione di Opportunità di Explorer. Nel 2019, La NASA dovrebbe scegliere un concetto per la costruzione e il lancio.

"Questa missione è più attuale che mai oggi, " ha detto il principale investigatore della missione Jordan Camp, che sta guidando un team internazionale per maturare il concetto e mettere a punto i suoi due strumenti:un Soft X-ray Wide-Field Imager fornito da Goddard, o WFI, e il monitor transitorio di raggi gamma fornito dall'Agenzia spaziale israeliana.

"Il rilevamento delle onde gravitazionali alla fine del 2015 è stato un evento spartiacque, " Camp ha detto. "Le onde gravitazionali sono così diverse, così nuovo. Vogliamo un modo per connettere l'astronomia elettromagnetica convenzionale con questa scienza emergente".

Monitoraggio di tutto il cielo

Dal suo trespolo a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, o ISS, la missione avrebbe monitorato il cielo alla ricerca di raggi X e raggi gamma transitori, quelli fugaci, difficile da catturare, fotoni ad alta energia liberati durante le fusioni e le supernove di buchi neri e stelle di neutroni. Questi potenti sconvolgimenti generano onde gravitazionali.

Postulato per la prima volta da Albert Einstein un secolo fa, Le onde gravitazionali vengono prodotte quando oggetti massicci si muovono vicino alla velocità della luce a spirale insieme e si fondono nell'universo. Il movimento e la conseguente collisione creano onde nel tessuto dello spazio-tempo, che si irradia in tutte le direzioni, proprio come l'acqua si increspa quando un sasso viene lanciato in uno stagno.

L'anno scorso in un annuncio bomba, gli scienziati hanno rivelato che l'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser a terra, o LIGO, aveva rilevato onde gravitazionali da nessuno, ma due eventi separati che coinvolgono la collisione di buchi neri in altre galassie; altri sono stati segnalati da allora. Per questa scoperta, i tre fisici che hanno aperto la strada alla struttura LIGO:Rainer Weiss, Kip Thorne, e Barry Barish, hanno recentemente ricevuto il Premio Nobel 2017 per la fisica.

Poi, il 16 ottobre, LIGO ha annunciato il primo rilevamento in assoluto di onde gravitazionali dalla fusione di due stelle di neutroni. Meno di due secondi dopo che le onde hanno attraversato lo spazio-tempo della Terra, Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha rilevato un debole scoppio di luce ad alta energia, il primo in assoluto ad essere collegato in modo inequivocabile a una sorgente di onde gravitazionali. Mezza giornata dopo, osservatori di tutto il mondo avevano trovato la posizione in luce visibile, individuare per la prima volta una sorgente di onde gravitazionali.

Attualmente, quasi tutto ciò che gli scienziati sanno sul cosmo deriva dal rilevamento e dall'analisi della luce delle sorgenti cosmologiche in tutte le sue forme attraverso lo spettro elettromagnetico:radio, infrarossi, visibile, ultravioletto, raggi X, e raggi gamma. Ogni lunghezza d'onda aggiunge un dettaglio diverso sulla composizione, temperatura, e velocità di queste fonti, tra le altre caratteristiche fisiche.

La conferma dell'esistenza delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra sull'universo, dando agli scienziati una nuova visione che integrerà ciò che hanno già appreso attraverso approcci osservativi più tradizionali. Campo, che ha contribuito a sviluppare i laser e l'ottica di LIGO ed è stato uno degli autori dell'articolo che annunciava la prima scoperta, crede che la missione abbia una nicchia speciale da riempire in questo ramo emergente dell'astrofisica.

Nicchia speciale nella scienza delle onde gravitazionali

La missione sarà una sentinella, ha detto il vice investigatore principale della missione Scott Barthelmy.

Oltre a condurre rilievi di tutto il cielo di sorgenti di raggi X transitori, individuerà più precisamente le controparti a raggi X delle sorgenti di eventi di onde gravitazionali, raccogliere dati, e comunicare la propria posizione ad altri osservatori in modo che possano iniziare le proprie osservazioni.

"LIGO e Virgo (un impianto di interferometro recentemente aggiornato a Pisa, Italia) formano la rete avanzata di osservatori di onde gravitazionali, " Camp ha detto. "Ci avviseranno dei candidati più interessanti, come i momenti finali di un sistema binario compatto. Sebbene queste strutture possano rilevare le increspature nello spazio-tempo, non possono focalizzare le onde gravitazionali e invece ottengono la loro localizzazione della sorgente cronometrando i segnali rumorosi, " Camp ha spiegato. "Così, non possono individuare con precisione le loro fonti."

In contrasto, il carico utile punterebbe le sue ottiche aragosta verso la grande porzione di cielo identificata da LIGO e Virgo e quindi concentrerebbe i raggi X di accompagnamento per localizzare e caratterizzare queste sorgenti, Egli ha detto.

Attualmente, il telescopio spaziale Hubble, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, la missione Burst di raggi gamma rapida, il telescopio spaziale Spitzer, e l'Osservatorio a raggi X Chandra stanno cercando controparti elettromagnetiche. Insieme a dozzine di osservatori a terra, tutti hanno rilevato la luce della fusione di stelle di neutroni, permettendo agli astronomi di studiare per la prima volta le conseguenze di un evento di onde gravitazionali.

Però, la missione è particolarmente adatta al compito, ha detto la co-investigatrice della missione Judy Racusin.

Uno dei suoi strumenti, il WFI, è dotato della nuova ottica a forma di aragosta, che imitano la struttura degli occhi del crostaceo. Gli occhi di aragosta sono fatti di lunghi, celle strette che riflettono ciascuna una piccola quantità di luce da una data direzione. Ciò consente di focalizzare la luce proveniente da un'ampia area di visualizzazione in un'unica immagine.

L'ottica di WFI funziona allo stesso modo. I suoi occhi sono piastre microcanali, sottili, lastre curve di materiale punteggiate da minuscoli tubi sulla superficie. La luce a raggi X può entrare in questi tubi da più angolazioni e viene focalizzata attraverso la riflessione dell'incidenza radente, dando alla tecnologia un ampio campo visivo necessario per trovare e visualizzare eventi transitori che non possono essere previsti in anticipo. A parte una dimostrazione di razzo sonoro, l'ottica a occhio di aragosta deve ancora essere utilizzata in un'applicazione spaziale, ha detto il campo.

L'ormeggio della missione a bordo della stazione spaziale offre un altro vantaggio, ha detto lo scienziato della missione Robert Petre, aggiungendo che l'avamposto orbitante fornisce comunicazioni, potenza, e altri servizi che fanno aumentare il costo dei veicoli spaziali. "Vogliamo utilizzare questa straordinaria struttura esattamente per ciò per cui è stata progettata:fornire un servizio rapido, accesso allo spazio a basso costo."

Se ISS-TAO dovesse essere selezionato come Missione di Opportunità Explorer, Camp crede di poter completare la missione e lanciarla entro il 2022, pochi anni dopo il lancio programmato del James Webb Space Telescope. L'osservatorio Webb potrebbe anche essere arruolato per osservare gli eventi esplosivi che generano onde gravitazionali, ha detto il campo.

"Abbiamo iniziato a lavorare su questo concetto di missione prima che LIGO facesse la scoperta, "Campo ha detto, riferendosi agli sforzi finanziati dalla ricerca e sviluppo iniziati circa cinque anni fa. "La scoperta delle onde gravitazionali ha certamente aggiunto molta eccitazione e aperto una nuova frontiera rivoluzionaria nell'astrofisica. Pensiamo che la nostra missione possa migliorare notevolmente la scienza delle onde gravitazionali".