Euclid, il telescopio spaziale europeo che studierà la componente oscura dell’universo

La missione ESA in corso di assemblaggio, il cui obbiettivo è fornire una risposta al perché l’espansione dell’universo stia accelerando, ha raggiunto un importante traguardo con l’installazione dei due strumenti scientifici VIS e NISP sul payload module, in vista del lancio attualmente previsto per la seconda metà del 2022.

Dalla fine degli anni ’90, contrariamente a quanto ipotizzato precedentemente, è globalmente assodato che la velocità di espansione dell’universo è in costante aumento e che la causa di questo sia dovuta all’energia oscura, una forza repulsiva che, insieme alla materia oscura, rappresenta il 95% dell’energia e massa dell’universo.
Sia l’energia sia la massa oscura sono componenti fisiche misteriose, oggetto di numerose teorie e di cui ancora ignoriamo la natura e l’origine, ma che controllano il passato, il presente e il futuro dell’universo.

Misurando la geometria di più di un miliardo e mezzo di galassie e registrando lo spostamento verso il rosso (redshift) di decine di milioni di galassie, per un totale pari a un terzo del cielo osservabile entro 10 miliardi di anni luce di distanza, il telescopio spaziale europeo Euclid investigherà la natura e le proprietà della componente oscura e della gravità, fornendo inoltre informazioni sulla fisica dell’universo primordiale e le condizioni che hanno generato l’attuale struttura cosmica.
Per rilevare l’accelerazione dell’espansione dell’universo e quindi l’aumento della distanza tra le galassie, Euclid studierà due particolari fenomeni cosmici: l’effetto lente gravitazionale debole e le oscillazioni acustiche dei barioni, compilando un’immagine 3D della distribuzione della materia, sia visibile sia oscura, nell’universo.

Effetto lente gravitazionale debole

Come predetto dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein nel 1916, la luce proveniente da una fonte molto distante dall’osservatore viene distorta in presenza di eventuali corpi gravitazionali sul suo percorso. Questo fenomeno è impossibile da osservare su piccole scale, ma è stato osservato e verificato su scale cosmiche, dove la luce proveniente da una stella o una galassia viene distorta e deviata quando un grande corpo (una stella, un buco nero, una galassia o un ammasso di galassie, ecc.) si frappone tra l’origine della luce e l’osservatore sulla Terra.

Se il raro effetto lente gravitazionale forte produce un’immagine di archi multipli ben visibili, l’effetto debole, in cui la distorsione non consente di identificarne direttamente la fonte, è sicuramente il caso più comune.
Nonostante questa criticità, grazie a una serie sistematica di osservazioni e complessi calcoli matematici, anche per l’effetto lente gravitazionale debole è possibile risalire alla fonte della luce e studiarne la natura.

Grazie a questo, Euclid sfrutterà la debole distorsione causata dalla presenza di materia oscura, in particolare dal suo campo gravitazionale, sullo sfondo in un denso numero di galassie note. L’impercettibile distorsione non sarà casuale ma sarà allineata alla distribuzione della densità della materia oscura, che quindi verrà rilevata grazie alla misurazione del redshift delle galassie note.
Con un sufficiente numero di galassie osservate ed equivalenti misurazioni del redshift, sarà possibile creare una mappa 3D, o tomografia, delle strutture di materia oscura distribuite nell’universo osservato.

Oscillazioni acustiche dei barioni

In cosmologia le oscillazioni acustiche dei barioni sono fluttuazioni della densità della materia visibile (barioni), causate in un passato molto remoto, dalle onde acustiche del plasma primordiale. Esse corrispondono alla massima distanza (circa 490 milioni di anni luce) che le onde acustiche potevano percorrere nel plasma primordiale prima del suo raffreddamento e forniscono ai cosmologi un metro universale per misurare le distanze cosmologiche.

Nel cosmo, grazie a questo fenomeno, le galassie e la materia tendono ad ammassarsi in sfere, tutte della stessa dimensione di 490 milioni di anni luce. Grazie a uno spettrometro operante nel vicino infrarosso, Euclid misurerà con una precisione mai ottenuta le distanze e il redshift di milioni di galassie, per determinare la distribuzione della materia visibile nell’universo.

Il telescopio spaziale Euclid

L’origine del progetto risale al 2007, quando due missioni, differenti ma complementari nei metodi e obbiettivi, Dark Universe Explorer (DUNE) e Spectroscopic All-Sky Cosmic Explorer (SPACE), vennero unite nell’attuale Euclid, dal nome del matematico Euclide di Alessandria (ca. 300 a.C.) considerato il padre della geometria.
Nel 2011 la missione venne selezionata come candidata all’interno dell’ESA Cosmic Vision 2015-2025 e approvata definitivamente nel 2012. Nel 2013 infine ESA nominò Thales Alenia Space Italia come capocommessa del progetto e l’allora Astrium, ora Airbus Defence and Space per la realizzazione del payload module, il modulo scientifico che comprende il telescopio vero e proprio.

Il telescopio spaziale Euclid, alto 4,5 metri, largo 3,1 e di massa totale pari a 2.160 kg, è composto da due elementi principali: il modulo scientifico, che come già detto include il telescopio e i due strumenti scientifici VIS e NISP e il modulo di servizio che comprende tutti i sistemi vitali per lo svolgimento della missione.

Modulo scientifico

Il modulo scientifico o payload module (PLM) ha una massa di 850 kg, è stato realizzato da Airbus a Tolosa in Francia ed è composto da:

• telescopio anastigmatico Korsch a tre specchi, che forniscono una focale di 24,5 m, con specchio primario di 1,2 m che copre un’area visuale di 1,25° × 0,727°;
• Near Infrared Spectrometer and Photometer (NISP), duplice fotometro/spettrometro che opera nel campo del vicino infrarosso. Il fotometro suddivide la radiazione in ingresso in tre canali: Y (920 – 1.146 nm), J (1.146 – 1.372 nm) e H (1.372 – 2.000 nm), mentre lo spettrometro opera nell’intervallo 1.100 – 2.000 nm. I 20 sensori dello strumento NISP sono forniti dalla NASA. Capocommessa per la realizzazione è il Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) in Francia;
• Visible Instrument (VIS), destinato all’acquisizione di immagini ad altissima risoluzione nell’intervallo 550 – 900 nm per la misurazione della geometria delle galassie inquadrate. Un mosaico di 36 sensori CCD (matrice 6 × 6) ciascuno con risoluzione di 4.096 × 4.132 pixel, fornirà una risoluzione totale di quasi 61 megapixel. Capocommessa per la realizzazione è il Mullard Space Science Laboratory (MSSL) dell’University College di Londra (Regno Unito);
• sensori di navigazione e assetto;
• sistema di controllo termico.

Il telescopio, gli strumenti scientifici e altre componenti del PLM sono state realizzate con una lega ceramica di carburo di silicio, scelta per la sua estrema stabilità rispetto alle variazioni di temperatura e già utilizzata nelle missioni Gaia e Herschel.
Entrambi gli strumenti NISP e VIS opereranno contemporaneamente, acquisendo una mole di dati pari a 1 petabit/anno. Questi dati verranno quindi inviati alle stazioni di terra di Cebreros (Spagna) e Malargüe (Argentina) e da lì trasmessi all’European Space Astronomy Centre (ESAC) di Villanueva de la Cañada, nei pressi di Madrid in Spagna, che sarà responsabile per la loro diffusione agli istituti e enti di ricerca internazionali associati al consorzio Euclid.

Modulo di servizio

Il modulo di servizio o service module (SM), realizzato da Thales Alenia Space Italia a Torino, ha una massa di 921 kg, è di forma quadrata, ed è posto al di sotto del PLM.
La sua funzione è quella di ospitare tutti i sistemi e sottosistemi necessari al corretto funzionamento del PLM, tra cui l’avionica per la telemetria, le comunicazioni, la fornitura, gestione e distribuzione dell’energia elettrica, il controllo termico, l’orientamento e la navigazione, e naturalmente i serbatoi per il combustibile.
L’energia elettrica di bordo sarà prodotta da un grande pannello fotovoltaico che fungerà inoltre da scudo termico per mantenere il telescopio in ombra.

Orbita operativa

Il lancio avverrà nella seconda metà del 2022 dallo spazioporto europeo di Kourou nella Guiana francese, a bordo di un vettore russo Sojuz 2.1b con upper stage Fregat-MT o con il nuovo lanciatore europeo Ariane 62, entrambi gestiti da Arianespace. Dopo il lancio l’upper stage inserirà Euclid in un’orbita di trasferimento che in circa un mese porterà il telescopio spaziale vicino al punto lagrangiano L2 del sistema Sole-Terra a circa 1,5 milioni di chilometri dal nostro pianeta. Euclid infine si stabilizzerà in una halo orbit (orbita ad aureola) intorno al punto L2 per una vita operativa prevista di 6 anni.

Fonte: ESA.