Il telescopio infrarosso SPICA per cosmologia e astrofisica (telescopio SPace Ir per Cosmologia e Astrofisica) è stato selezionato, su 25 proposte presentate, per la fase finale di studio e sviluppo della prossima missione di classe M dell’Agenzia spaziale europea (ESA)
Sotto la guida dell’Istituto olandese di ricerca spaziale (SRON), e in stretta collaborazione con l’agenzia spaziale giapponese (JAXA), la missione ha un’importante partecipazione spagnola (Co-Principal Investigator nello strumento SAFARI), attraverso il Centro Astrobiologia (CAB, CSIC-INTA), l’Istituto Nazionale di Tecnologia Aerospaziale (INTA), l’Istituto di Astrofisica delle Isole Canarie (IAC) e l’Università di La Laguna (ULL). La selezione di SPICA servirà a risolvere domande fondamentali in astrofisica, come la crescita e l’evoluzione delle galassie nel tempo e comprendere meglio le condizioni che portano alla formazione di sistemi planetari come il nostro.
SPICA è un telescopio spaziale progettato per essere estremamente sensibile alle radiazioni infrarosse. A differenza di quanto accade con la luce visibile, la radiazione infrarossa non viene assorbita dalla polvere che permea l’intero universo e, pertanto, le osservazioni a infrarossi ci permettono di rivelare l’universo nascosto alla radiazione visibile, rendendo possibile osservare il le zone più interne delle galassie, dentro le nubi di gas in cui si formano le stelle e i sistemi planetari nel processo di formazione.
Una delle grandi domande nell’astronomia corrente è conoscere i processi che regolano la formazione e l’evoluzione delle galassie. Secondo i primi modelli dell’universo, le galassie che conosciamo oggi hanno iniziato a riunirsi circa 13 miliardi di anni fa. La formazione e l’evoluzione hanno accelerato nei primi miliardi di anni, diventando sempre più numerosi fino a raggiungere il suo picco di evoluzione circa 10 miliardi di anni fa. Da allora, questo processo ha gradualmente rallentato. La causa di questa disparità nell’efficienza della formazione delle galassie rimane un mistero. Con SPICA sarà possibile rilevare le “impronte” spettrali di molte migliaia di galassie nel tempo. Con queste tracce sarà possibile studiare con precisione le condizioni fisiche delle galassie e dei loro ambienti, e quindi determinare i fattori che governano la loro formazione ed evoluzione.
Nell’universo vicino, SPICA fornirà una visione dettagliata dei processi di formazione delle stelle e dei sistemi planetari. Questi sono processi che si svolgono all’interno di dense nubi di gas e polvere che possono essere studiate solo nell’infrarosso. Inoltre, le osservazioni in infrarosso spettrale di ioni, atomi, molecole, granelli di polvere e ghiaccio permetteranno agli astronomi di esplorare, non solo le condizioni fisiche all’interno e intorno ai dischi protoplanetari, ma anche di distinguere le regioni del disco dove le molecole d’acqua sono in uno stato solido o gassoso. La combinazione di questi risultati con le osservazioni degli anelli di polvere attorno ai sistemi planetari evoluti fornirà preziosi indizi sulla formazione del Sistema Solare e della Nube di Oort degli oggetti freddi che la circondano.
Il successo di SPICA si basa sulla combinazione di un numero significativo di innovazioni tecnologiche. Un elemento fondamentale è l’uso di un grande telescopio con specchio di 2,5 metri di diametro che viene raffreddato ad una temperatura di quasi 270 gradi sotto zero, per minimizzare la radiazione emessa dal telescopio stesso. A differenza delle precedenti missioni nell’infrarosso, che sono state raffreddate con enormi depositi di elio liquido, SPICA sarà il primo telescopio spaziale raffreddato da criogenizzatori meccanici, che prolungherà la vita dell’osservatorio. Con un rumore strumentale così basso, i sensori estremamente sensibili utilizzati, chiamati microcalorimetri superconduttori o TES (Transition-Edge Sensors) che operano vicino allo zero assoluto, possono essere sfruttati al massimo del loro potenziale. La combinazione del telescopio refrigerato e dei rivelatori ultrasensibili farà di SPICA l’osservatorio più sensibile mai costruito nella gamma media e del lontano infrarosso, che consentirà ai suoi strumenti di rilevare le “impronte digitali” spettrali degli oggetti più deboli e lontani dell’Universo.
SPICA avrà tre strumenti che copriranno l’intero spettro del medio e del lontano infrarosso, con una gamma di lunghezze d’onda comprese tra 12 e 350 micrometri (un micrometro è un millesimo di millimetro). Il primo è una fotocamera combinata a infrarossi media e uno spettrometro, che sarà fornita da un consorzio giapponese guidato dall’università di Nagoya. Il secondo è un polarimetro di immagini compatte che sarà fornito da un consorzio europeo guidato dalla Francia. E il terzo sarà lo strumento più grande e più complesso, lo spettrometro a raggi infrarossi SAFARI, che sarà progettato da un grande consorzio internazionale guidato dai Paesi Bassi e con un’importante partecipazione spagnola.
SAFARI (SPICA Far-IR Instrument, strumento per il lontano infrarosso di SPICA) è lo spettrometro a infrarossi lontani del telescopio SPICA. Copre la gamma di lunghezze d’onda da 34 a 230 micrometri con oltre 3.000 sensori TES. La radiazione proveniente dalla sorgente viene dispersa nei diversi colori che la compongono attraverso quattro reticoli di diffrazione, quindi ciascun sensore acquisisce un colore diverso. Per aumentare il dettaglio spettrale, un interferometro Martin-Puplett sarà interposto nel percorso della luce. Questi rivelatori permetteranno a SAFARI di osservare le sorgenti cento volte più deboli di quelle osservate fino ad ora.
I Paesi Bassi guidano, attraverso la SRON, il consorzio internazionale incaricato di costruire lo strumento SAFARI, con la Spagna e la Francia come co-Principal Investigators. Quasi 20 istituzioni di 15 paesi in tutto il mondo partecipano allo strumento. La Spagna guida il design ottico e strutturale dello strumento tramite INTA e CAB, rispettivamente. L’Olanda è responsabile della progettazione generale del sistema e, insieme all’esperienza degli Stati Uniti e del Regno Unito, dei sensori TES. La Francia fornisce il sistema di raffreddamento milligrado e il Canada l’interferometro Martin-Puplett. Vi sono anche contributi di istituzioni in Austria, Belgio, Danimarca, Germania, Irlanda, Italia, Giappone, Svezia, Svizzera e Taiwan.
SPICA è il risultato della cooperazione tra le agenzie spaziali europee e giapponesi, ESA e JAXA. L’ESA, in qualità di leader del progetto, assumerà la responsabilità generale, fornirà il telescopio e i sistemi di supporto per il veicolo spaziale e guiderà l’integrazione e il collaudo di tutti i sottosistemi satellite. Il Giappone fornirà il sistema di raffreddamento e si prenderà la responsabilità dell’integrazione del carico utile, della piattaforma con il telescopio e degli strumenti scientifici. Inoltre, il Giappone fornirà il razzo H3 che sarà responsabile del lancio di SPICA nello spazio. I tre strumenti sono forniti da consorzi di istituti scientifici e di ricerca in tutto il mondo. È importante sottolineare che questa è la prima volta che la Spagna guida la progettazione ottica e strutturale dello strumento principale di una grande missione scientifica. La partecipazione spagnola a SPICA è finanziata dal Piano statale per la ricerca e l’innovazione scientifica e tecnica, gestito dall’Agenzia di ricerca statale del Ministero dell’economia, dell’industria e della competitività, con contributi significativi del Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR).
La proposta SPICA è stata presentata nel 2016 da un grande consorzio internazionale, con partner provenienti da Europa, Nord America e Asia, in risposta al quinto invito a presentare proposte di missioni di classe M nell’ambito del programma ESA Cosmic Vision. Sono state presentate 25 proposte di diversi consorzi internazionali. Di queste 25, tre sono stati selezionati, SPICA, THESEUS ed EnVision, per il loro studio di fase A. Si prevede che nel 2021 verrà presa la decisione finale in merito alla missione M5 attuata dall’ESA, il cui lancio è previsto per l’anno 2032