Dopo quasi 16 anni di esplorazione del cosmo alla luce infrarossa, Il telescopio spaziale Spitzer della NASA sarà spento in modo permanente il 30 gennaio, 2020. Per allora, il veicolo spaziale avrà operato per più di 11 anni oltre la sua missione principale, grazie alla capacità del team di ingegneri Spitzer di affrontare sfide uniche mentre il telescopio scivola sempre più lontano dalla Terra.

Gestito e gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, Spitzer è un osservatorio piccolo ma trasformativo. Cattura la luce infrarossa, che viene spesso emesso da oggetti "caldi" che non sono abbastanza caldi da irradiare luce visibile. Spitzer ha sollevato il velo sugli oggetti nascosti in quasi ogni angolo dell'universo, da un nuovo anello attorno a Saturno alle osservazioni di alcune delle galassie più lontane conosciute. Ha spiato le stelle in ogni fase della vita, mappato la nostra galassia di casa, catturato splendide immagini di nebulose e sondato pianeti appena scoperti in orbita attorno a stelle lontane.

Ma come vicedirettore della missione di Spitzer, Giuseppe Caccia, disse, "Puoi avere una navicella spaziale di livello mondiale, ma non significa nulla se non riesci a riportare i dati a casa."

Spitzer orbita attorno al Sole su un percorso simile a quello della Terra ma si muove leggermente più lentamente. Oggi si trova a circa 158 milioni di miglia (254 milioni di chilometri) dietro il nostro pianeta, più di 600 volte la distanza tra la Terra e la Luna. quella distanza, insieme alla curva dell'orbita di Spitzer, significa che quando la navicella punta la sua antenna fissa verso la Terra per scaricare dati o ricevere comandi, i suoi pannelli solari si allontanano dal sole. Durante quei periodi, il veicolo spaziale deve fare affidamento su una combinazione di energia solare e batteria per funzionare.

L'angolo con cui i pannelli puntano lontano dal Sole è aumentato ogni anno in cui la missione è operativa. In questi giorni, per comunicare con la Terra, Spitzer deve posizionare i suoi pannelli con un angolo di 53 gradi lontano dal Sole (90 gradi sarebbero completamente rivolti verso l'esterno), anche se i pianificatori della missione non intendevano mai che si inclinasse di più di 30 gradi dal Sole. Spitzer può comunicare con la Terra per circa 2,5 ore prima di dover riportare i suoi pannelli solari verso il Sole per ricaricare le batterie. Quella finestra di comunicazione si accorcerebbe anno dopo anno se Spitzer continuasse a operare, il che significa che c'è un limite al tempo in cui sarebbe possibile far funzionare la navicella in modo efficiente.

Uno sforzo duraturo

Insegnare alla navicella ad accettare nuove condizioni, come l'angolo crescente dei pannelli solari durante le comunicazioni con la Terra, non è semplice come premere un interruttore. Esistono diversi modi in cui questi cambiamenti potrebbero innescare meccanismi di sicurezza nel software di volo del veicolo spaziale. Ad esempio, se i pannelli si fossero inclinati di più di 30 gradi dal Sole durante i primi anni della missione, il software avrebbe premuto "pausa, " mettendo la navicella in "modalità sicura" fino a quando il team della missione non riuscisse a capire cosa c'era che non andava. Il cambiamento dell'angolo di Spitzer rispetto al Sole potrebbe anche innescare meccanismi di sicurezza destinati a prevenire il surriscaldamento delle parti della navicella.

Entrare in modalità provvisoria può essere particolarmente pericoloso per il veicolo spaziale, sia a causa della sua crescente distanza dalla Terra (che rende la comunicazione più difficile) sia perché i vecchi sistemi di bordo potrebbero non riavviarsi una volta spenti.

Per affrontare queste sfide, gli ingegneri di progetto e gli scienziati del JPL e del Caltech hanno lavorato con il team di ingegneri dell'osservatorio a Littleton di Lockheed Martin Space, Colorado, possibilità di trovare una strada da percorrere. (Lockheed Martin ha costruito la navicella spaziale Spitzer per la NASA.) Bolinda Kahr, Il manager della missione di Spitzer, guida questa squadra multicentrica. Nel corso degli anni lei e i suoi colleghi sono riusciti a capire come ignorare i meccanismi di sicurezza progettati per la missione principale, assicurandosi anche che tali alterazioni non introducano altri effetti collaterali indesiderati.

Ma mentre Spitzer invecchia e si allontana dalla Terra, la sfida di mantenere operativo il veicolo spaziale e il rischio che subisca una grave anomalia non fa che aumentare.

"Posso sinceramente dire che nessuno coinvolto nella pianificazione della missione pensava che saremmo stati in esecuzione nel 2019, " ha detto Lisa Storie-Lombardi, Il responsabile del progetto di Spitzer. "Ma abbiamo un veicolo spaziale incredibilmente robusto e una squadra incredibile. E siamo stati fortunati. Devi avere un po' di fortuna, perché non puoi anticipare tutto."

Mantenere la calma

Most infrared detectors have to be cooled to very low temperatures, because excess infrared light from "warm" objects—including the Sun, Terra, the spacecraft and even the instruments themselves—can overwhelm the infrared sensors. This cooling is typically done with a chemical coolant.

The Spitzer planners instead came up with a passive-cooling system that included flying the spacecraft far from Earth (a major infrared heat source). They also chose materials for the spacecraft exterior that would both reflect sunlight away before it could heat the telescope and radiate absorbed heat back into space. In questa configurazione, coolant is required only to lower the instrument temperatures a few degrees further. Reducing the onboard coolant supply also drastically allowed the engineers to cut the total size of the spacecraft by more than 80% and helped curtail the anticipated mission budget by more than 75%.

Although Spitzer's coolant supply ran out in 2009, rendering two of its three instruments unusable, the team was able to keep half of the remaining instrument operating. (The instrument was designed to detect four wavelengths of infrared light; in the "warm" mode, it can still detect two of them.)

Lasting more than twice as long as the primary mission, Spitzer's extended mission has yielded some of the observatory's most transformational results. Nel 2017, the telescope revealed the presence of seven rocky planets around the TRAPPIST-1 star. In molti casi, Spitzer's exoplanet observations were combined with observations by other missions, including NASA's Kepler and Hubble space telescopes.

Spitzer's final year and a half of science operations include a number of exoplanet-related investigations. One program will investigate 15 dwarf stars (similar to the TRAPPIST-1 star) likely to host exoplanets. An additional 650 hours are dedicated to follow-up observations of planets discovered by NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which launched just over a year ago.

Final Voyage

Every mission must end at some point. As the challenges associated with operating Spitzer continue to grow and as the risk of a mission-ending anomaly on the spacecraft rises, NASA has made the decision to close out the mission in a controlled manner.

"There have been times when the Spitzer mission could have ended in a way we didn't plan for, " said Kahr. "I'm glad that in January we'll be able to retire the spacecraft deliberately, the way we want to do it."

While Spitzer's mission is ending, it has helped set the stage for NASA's James Webb Space Telescope, set to launch in 2021, which will study the universe in many of the same wavelengths observed by Spitzer. Webb's primary mirror is about 7.5 times larger than Spitzer's mirror, meaning Webb will be able to study many of the same targets in much higher resolution and objects much farther away from Earth than what Spitzer can observe.

Thirteen science programs have already been selected for Webb's first five months of operations, four of which build directly on Spitzer observations. Webb will greatly expand on the legacy begun by Spitzer and answer questions that Spitzer has only begun to investigate.