Gli esperti di ottica della NASA sono sulla buona strada per abbattere una barriera che ha impedito agli scienziati di raggiungere un'ambizione di lunga data:costruire un telescopio ultra-stabile che localizzi e immagini dozzine di pianeti simili alla Terra oltre il sistema solare e quindi scruti le loro atmosfere per segni di vita.

Babak Saif e Lee Feinberg al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, hanno dimostrato per la prima volta di poter rilevare dinamicamente distorsioni subatomiche o di dimensioni picometriche, cambiamenti molto più piccoli di un atomo, attraverso uno specchio telescopico segmentato di cinque piedi e la sua struttura di supporto. Collaborando con Perry Greenfield allo Space Telescope Science Institute di Baltimora, il team ora prevede di utilizzare uno strumento di nuova generazione e una camera di prova termica per perfezionare ulteriormente le misurazioni.

L'impresa di misurazione è una buona notizia per gli scienziati che studiano missioni future per trovare e caratterizzare pianeti extrasolari simili alla Terra che potenzialmente potrebbero supportare la vita.

per trovare la vita, questi osservatori dovrebbero raccogliere e focalizzare abbastanza luce per distinguere la luce del pianeta da quella della sua stella madre molto più brillante e quindi essere in grado di sezionare quella luce per discernere diverse firme chimiche atmosferiche, come ossigeno e metano. Ciò richiederebbe un osservatorio super stabile i cui componenti ottici si muovano o distorcono non più di 12 picometri, una misura che è circa un decimo delle dimensioni di un atomo di idrogeno.

Ad oggi, La NASA non ha costruito un osservatorio con requisiti di stabilità così esigenti.

Come si verificano gli spostamenti

Spostamenti e movimenti si verificano quando i materiali utilizzati per costruire i telescopi si restringono o si espandono a causa di temperature estremamente variabili, come quelli sperimentati quando si viaggia dalla Terra alla frigidità dello spazio, o quando esposto a feroci forze di lancio più di sei volte e mezzo la forza di gravità.

Gli scienziati dicono che anche quasi impercettibile, movimenti di dimensioni atomiche influenzerebbero la capacità di un futuro osservatorio di raccogliere e focalizzare abbastanza luce per visualizzare e analizzare la luce del pianeta. Di conseguenza, i pianificatori delle missioni devono progettare telescopi con una precisione del picometro e quindi testarli allo stesso livello su tutta la struttura, non solo tra gli specchi riflettenti del telescopio. Il movimento che si verifica in una posizione particolare potrebbe non riflettere accuratamente ciò che sta effettivamente accadendo in altri luoghi.

"Queste future missioni richiederanno un osservatorio incredibilmente stabile, " disse Azita Valinia, vice responsabile del programma della Divisione Progetti di Astrofisica. "Questo è uno dei pali più alti della tecnologia che i futuri osservatori di questo calibro devono superare. Il successo del team ha dimostrato che stiamo costantemente riducendo quel particolare ostacolo".

Il test iniziale

Per effettuare la prova, Saif e Feinberg hanno utilizzato l'interferometro ad alta velocità, o HSI, uno strumento sviluppato dalla tecnologia 4D con sede in Arizona per misurare i cambiamenti dinamici di dimensioni nanometriche nei componenti ottici del telescopio spaziale James Webb, inclusi i suoi 18 segmenti di specchi, monta, e altre strutture di supporto—durante le termiche, vibrazioni e altri tipi di test ambientali.

Come tutti gli interferometri, lo strumento divide la luce e poi la ricombina per misurare piccoli cambiamenti, compreso il movimento. L'HSI può misurare rapidamente i cambiamenti dinamici attraverso lo specchio e altri componenti strutturali, dando agli scienziati informazioni su ciò che sta accadendo in tutto il telescopio, non solo in un punto particolare.

Anche se l'HSI è stato progettato per misurare distorsioni di dimensioni nanometriche o molecolari, che era lo standard di progettazione per Webb, il team voleva vedere che poteva utilizzare lo stesso strumento, accoppiato con algoritmi appositamente sviluppati, per rilevare cambiamenti ancora più piccoli sulla superficie di un segmento di specchio Webb di riserva di cinque piedi e del relativo hardware di supporto.

Il test ha dimostrato che poteva, misurare il movimento dinamico fino a 25 picometri, circa il doppio del target desiderato, Saif ha detto.

Prossimi passi

Però, Goddard e 4D Technology hanno progettato un nuovo strumento ad alta velocità, chiamato interferometro speckle, che consente misurazioni di superfici riflettenti e diffuse con precisioni del picometro. La tecnologia 4D ha costruito lo strumento e il team Goddard ha iniziato la caratterizzazione iniziale delle sue prestazioni in una nuova camera di prova a vuoto termico che controlla le temperature interne fino a un gelido 1 milliikelvin.

Saif e Feinberg hanno in programma di posizionare gli elementi di prova all'interno della camera per vedere se possono raggiungere la precisione del target di 12 picometri.

"Penso che abbiamo fatto molti progressi. Ci stiamo arrivando, "Saif ha detto.