Lo spazio non è difficile solo a causa della scienza missilistica. Il compito di portare una missione della NASA dallo sviluppo e dal finanziamento alla costruzione e al lancio – tutto prima ancora di usarlo per la scienza – può durare decenni. Sono state spese intere carriere per mandare nello spazio un singolo satellite. Il fisico della NASA, premio Nobel, John Mather, sia chiaro, ha già contribuito a mandarne su due.
Nel loro nuovo libro, All’interno della fabbrica delle stelle: la creazione del telescopio spaziale James Webb, l’osservatorio spaziale più grande e potente della NASA, l’autore Christopher Wanjek e il fotografo Chris Gunn accompagnano i lettori in un tour dietro le quinte del viaggio del James Webb Space Telescope dalla nascita all’orbita. Intrecciando esami della tecnologia di imaging radicale che ci consente di scrutare più profondamente che mai l’universo primordiale con i profili dei ricercatori, consulenti, manager, ingegneri e tecnici che lo hanno reso possibile attraverso tre decenni di sforzi. In questa settimana Colpire i libri estratto, uno sguardo allo scienziato del progetto JWST John Mather e al suo improbabile viaggio dalle zone rurali del New Jersey alla NASA.
Stampa del MIT
Estratto da “All’interno della fabbrica delle stelle: la creazione del telescopio spaziale James Webb, l’osservatorio spaziale più grande e potente della NASA” Copyright © 2023 di Chris Gunn e Christopher Wanjek. Utilizzato con il permesso dell’editore, MIT Press.
John Mather, scienziato del progetto
– La mano ferma nel controllo
John Mather è un uomo paziente. Il suo Premio Nobel per la Fisica nel 2006 era in preparazione da trent’anni. Quel premio, per la prova incrollabile del Big Bang, si basava su una macchina grande quanto un autobus chiamata COBE, l’ennesima missione della NASA che quasi non si realizzò. Dramma progettuale? Stato lì. Superare ritardi imprevisti? Fatto. Per la NASA scegliere Mather come scienziato del progetto JWST è stata pura prescienza.
Come Webb, COBE – Cosmic Background Explorer – doveva essere una macchina del tempo per rivelare un’istantanea dell’universo primordiale. L’era target era appena 370.000 anni dopo il Big Bang, quando l’universo era ancora una nebbia di particelle elementari senza alcuna struttura distinguibile. Questa è chiamata l’epoca della ricombinazione, quando l’universo caldo si raffreddò fino al punto di consentire ai protoni di legarsi con gli elettroni per formare i primissimi atomi, per lo più idrogeno con una spolverata di elio e litio. Quando gli atomi si formarono, la nebbia si diradò e l’universo divenne chiaro. La luce irruppe. Quella luce antica, proveniente dal Big Bang stesso, è con noi oggi come radiazione residua a microonde chiamata fondo cosmico a microonde.
Alto ma mai imponente, esigente ma mai cattivo, Mather è uno studio di contrasti. La sua infanzia trascorse a solo un miglio dall’Appalachian Trail nella contea rurale del Sussex, nel New Jersey, dove i suoi amici erano consumati da questioni terrene come i lavori agricoli. Eppure Mather, il cui padre era uno specialista in zootecnia e statistica, era più interessato alla scienza e alla matematica. All’età di sei anni afferrò il concetto di infinito quando riempì una pagina del suo taccuino con un numero molto grande e si rese conto che avrebbe potuto andare avanti all’infinito. Si caricò dei libri di una biblioteca mobile che visitava le fattorie ogni due settimane. Suo padre lavorava per la Rutgers University Agriculture Experiment Station e aveva un laboratorio nella fattoria con apparecchiature per radioisotopi per lo studio del metabolismo e serbatoi di azoto liquido con sperma di toro congelato. Suo padre fu anche uno dei primi utenti di computer nella zona, intorno al 1960, mantenendo i registri della produzione di latte di 10.000 mucche su schede IBM perforate. Anche sua madre, un’insegnante di scuola elementare, era piuttosto istruita e incoraggiò l’interesse del giovane John per la scienza.
La possibilità di un clima caldo tutto l’anno alla fine portò Mather nel 1968 all’Università della California, a Berkeley, per studi universitari in fisica. Si sarebbe imbattuto in una folla incuriosita dal fondo cosmico a microonde appena rilevato, scoperto per caso nel 1965 dai radioastronomi Arno Penzias e Robert Wilson. Il suo relatore di tesi ha ideato un esperimento con un pallone per misurare lo spettro, o il colore, di questa radiazione per vedere se proveniva davvero dal Big Bang. (Sì.) La successiva cosa ovvia era creare una mappa di questa luce per vedere, come suggeriva la teoria, se la temperatura variava leggermente nel cielo. E anni dopo, è proprio quello che lui e il suo team COBE hanno scoperto: l’anisotropia, una distribuzione ineguale di energia. Queste fluttuazioni di temperatura dell’ordine dei microgradi implicano fluttuazioni della densità della materia, sufficienti a fermare l’espansione, almeno localmente. Attraverso l’influenza della gravità, la materia si concentrerebbe nei laghi cosmici per formare stelle e galassie centinaia di milioni di anni dopo. In sostanza, Mather e il suo team hanno catturato un’ecografia dell’universo infantile.
Eppure la missione COBE, come Webb, fu afflitta da battute d’arresto. Mather e il team proposero il concetto di missione (per la seconda volta) nel 1976. La NASA accettò la proposta ma, quell’anno, dichiarò che questo satellite e la maggior parte degli altri da quel momento in poi sarebbero stati portati in orbita dallo Space Shuttle, che a sua volta era ancora in fase di lancio. in sviluppo. La storia rivelerebbe la follia di un simile piano. Mather capì immediatamente. Ciò ha sposato il design del COBE con la stiva di carico dello Shuttle non costruito. Gli ingegneri dovrebbero soddisfare precisi requisiti di massa e volume di una nave non ancora volata. Ancora più problematico, COBE richiedeva un’orbita polare, difficile da raggiungere per lo Space Shuttle. Il team COBE è stato poi gravato da tagli al budget e compromessi nella progettazione del COBE a seguito del superamento dei costi di un’altra missione pionieristica della scienza spaziale, il satellite astronomico a infrarossi, o IRAS. Tuttavia, continuava il tedioso lavoro di progettazione di strumenti sufficientemente sensibili da rilevare variazioni di temperatura solo pochi gradi sopra lo zero assoluto, circa -270°C. Dal 1980 in poi, Mather fu assorbito dalla creazione di COBE tutto il giorno, tutti i giorni. Il team doveva prendere scorciatoie e prendere decisioni rischiose per rispettare il budget. Giunse la notizia che COBE sarebbe stato lanciato sulla missione Space Shuttle STS-82-B nel 1988 dalla base aeronautica di Vandenberg. Tutti i sistemi vanno.
Poi lo Space Shuttle Challenger esplose nel 1986, uccidendo tutti e sette i membri dell’equipaggio. La NASA ha bloccato i voli dello Shuttle a tempo indeterminato. Il COBE, ora vincolato alle specifiche dello Shuttle, non poteva essere lanciato su un qualsiasi altro sistema missilistico. A questo punto il COBE era troppo grande per un razzo Delta; ironicamente, Mather aveva in mente il Delta nel suo primo schizzo nel 1974. Il team guardò all’Europa per un veicolo di lancio, ma questa non era certo un’opzione per la NASA. Invece, i responsabili del progetto hanno condotto una riprogettazione per eliminare centinaia di libbre, per ridurre la massa di lancio di 5.000 libbre, con carburante, che sarebbe riuscito a rientrare nei limiti di un Delta di poche libbre. Oh, e McDonnell Douglas ha dovuto costruire un razzo Delta con pezzi di ricambio, essendo stato costretto a interrompere la serie a favore dello Space Shuttle.
Il team ha lavorato 24 ore su 24 nei due anni successivi. La sfida progettuale finale era… aspetta… un parasole che ora doveva essere ripiegato nel razzo e rilasciato a molla una volta in orbita, un approccio nuovo. COBE ha ottenuto il via libera per il lancio dalla base aeronautica di Vandenberg in California, il sito originariamente desiderato perché avrebbe fornito un accesso più facile a un’orbita polare rispetto al lancio di uno Shuttle dalla Florida. Il lancio fu fissato per novembre 1989. Il COBE fu consegnato diversi mesi prima.
Poi, il 17 ottobre, la terra della California tremò forte. Un terremoto di magnitudo 6,9 ha colpito la contea di Santa Cruz, causando danni diffusi alle strutture. Vandenberg, circa 200 miglia a sud, avvertì la scossa. Per pura fortuna, il COBE è stato fissato saldamente solo perché due degli ingegneri che se ne occupavano lo hanno assicurato quel giorno prima di partire per sposarsi. Lo strumento non ha subito danni ed è stato lanciato con successo il 18 novembre. Ancora più drammaticità si sono verificate con i forti venti il giorno del lancio. Nelle prime settimane di funzionamento seguirono una miriade di preoccupazioni: il criostato si raffreddava troppo rapidamente; la luce solare riflessa dal ghiaccio antartico ha distrutto il sistema energetico; elettroni e protoni intrappolati nelle cinture di Van Allen hanno interrotto il funzionamento dell’elettronica; e così via.
Tutti i ritardi, tutto il dramma, svanirono in un lontano ricordo per Mather quando arrivarono i risultati dell’esperimento COBE. Ci sarebbero voluti quattro anni per compilare i dati. Ma i risultati sono stati strabilianti. Il primo risultato arrivò settimane dopo il lancio, quando Mather mostrò lo spettro all’American Astronomical Society e ricevette una standing ovation. Il Big Bang era una teoria sicura. Due anni dopo, in una riunione dell’American Physical Society dell’aprile 1992, il team mostrò la prima mappa. I dati corrispondevano perfettamente alla teoria. Questo fu il bagliore del Big Bang che rivelò i semi che sarebbero cresciuti in stelle e galassie. Il fisico Stephen Hawking l’ha definita “la scoperta più importante del secolo, se non di tutti i tempi”.
Mather ha parlato con umiltà della scoperta nel suo discorso di accettazione del Nobel nel 2006, dando pieno merito al suo straordinario team e al suo collega George Smoot, che ha condiviso il premio con lui quell’anno. Ma non ha minimizzato il risultato. Ha notato di essere entusiasta dell’ormai ampio “riconoscimento che il nostro lavoro è importante come le persone nel mondo dell’astronomia professionale sanno da così tanto tempo”.
Mather mantiene questo realismo oggi. Pur preoccupato per ritardi, minacce di cancellazione, superamento dei costi e animosità non troppo sottile nella più ampia comunità scientifica riguardo al “telescopio che divorava l’astronomia”, non ha lasciato che questo consumasse lui o il suo team. “Non ha senso cercare di gestire i sentimenti degli altri”, ha detto. “Molta opinione della comunità è, ‘beh, se fosse il mio nichel, lo spenderei diversamente.’ Ma non è il loro nichel; e il motivo per cui abbiamo il nichel in primo luogo è perché la NASA affronta sfide incredibilmente grandi. Il Congresso ha approvato che accettassimo grandi sfide. E le grandi sfide non sono gratuite. La mia sensazione è che l’unica ragione per cui alla NASA abbiamo un programma di astronomia di cui chiunque può divertirsi – o di cui lamentarsi – è che realizziamo progetti sorprendentemente difficili. Ci stiamo spingendo al limite del possibile”.
Webb non è solo leggermente migliore del telescopio spaziale Hubble, ha aggiunto Mather; è cento volte più potente. Tuttavia, la sua più grande preoccupazione durante la progettazione della missione non erano gli strumenti astronomici avanzati, ma piuttosto l’enorme schermo solare, che doveva essere aperto. Tutti gli strumenti e tutti i meccanismi di dispiegamento erano dotati di ridondanza; ci sono due o più modi per farli funzionare se il metodo principale fallisce. Ma questo non è l’unico problema con uno schermo solare. Funzionerebbe o non funzionerebbe.
Ora Mather può concentrarsi completamente sulla scienza da acquisire. Si aspetta sorprese; si sorprenderebbe se non ci fossero sorprese. “Quasi tutto in astronomia è una sorpresa”, ha detto. “Quando avrai nuove attrezzature, riceverai una sorpresa.” La sua intuizione è che Webb potrebbe rivelare qualcosa di strano sull’universo primordiale, forse un’abbondanza di oggetti di breve durata mai visti prima che dicano qualcosa sull’energia oscura, la forza misteriosa che sembra accelerare l’espansione dell’universo, o l’altrettanto misterioso materia oscura. Inoltre, non vede l’ora che Webb indirizzi le sue telecamere su Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino alla Terra. E se esistesse un pianeta adatto alla vita? Webb dovrebbe avere la sensibilità necessaria per rilevare le molecole nella sua atmosfera, se presenti.
“Sarebbe bello”, ha detto Mather. Suggerimenti di vita dal sistema stellare più vicino? Sì, bello, davvero.
