Ci sono alcune domande su cui l’umanità ha sempre riflettuto, ma a malapena ha potuto rispondere in modo soddisfacente fino a quando non sono arrivati i progressi scientifici adeguati. Domande come:
- Cos’è l’Universo?
- Da dove proviene?
- Come è diventato così?
- E qual è il suo destino ultimo?
sono domande che ci accompagnano da tempo immemorabile, eppure, nel XX e ora nel XXI secolo, stiamo finalmente ottenendo risposte esaurienti grazie agli incredibili progressi della fisica e dell’astronomia. Tuttavia, forse la domanda più grande di tutte: “siamo soli nell’Universo?” – rimane un mistero.
Mentre l’attuale generazione di telescopi terrestri e spaziali può portarci lontano nell’Universo, questa è una domanda che è attualmente fuori dalla nostra portata. Per arrivarci, dovremo avere immagini dirette di esopianeti simili alla Terra: pianeti con dimensioni e temperature simili alla Terra e che orbitano intorno a stelle simili al Sole, non alle più comuni nane rosse come Proxima Centauri o TRAPPIST-1. Queste capacità sono esattamente ciò a cui mira la NASA con la sua missione di punta appena annunciata: l’Habitable Worlds Observatory. Si tratta di un progetto ambizioso ma importante. Dopotutto, scoprire che non siamo soli nell’Universo sarebbe molto probabilmente la più grande rivoluzione di tutta la storia della scienza.
Oggi, nel 2023, ci sono tre modi principali in cui cerchiamo la vita aliena.
- Stiamo esplorando mondi nel nostro Sistema Solare, tra cui Marte, Venere, Titano, Europa e Plutone, da remoto, con missioni fly-by, orbiter, lander e persino rover, alla ricerca di prove della vita semplice passata o addirittura presente.
- Stiamo esaminando gli esopianeti, alla ricerca di prove che ci sia vita su di essi, dalla superficie all’atmosfera e oltre, sulla base di segni osservabili di colore, cambiamenti stagionali e contenuti atmosferici.
- E cercando qualsiasi segnale che riveli la presenza di alieni intelligenti: attraverso programmi come SETI e Breakthrough Listen.
Tutti e tre gli approcci hanno i loro vantaggi e svantaggi, ma la maggior parte degli scienziati ritiene che sia la seconda opzione che ha maggiori probabilità di ottenere il nostro primo successo.
Se la vita richiede condizioni simili a quelle che si trovano sulla Terra, potremmo benissimo essere l’unico mondo nel Sistema Solare in cui la vita si sia sviluppata, sia sopravvissuta e abbia prosperato. Se non ci sono civiltà intelligenti che trasmettono attivamente nelle vicinanze, SETI non fornirà alcun risultato positivo. Ma se anche una piccola frazione di mondi che esistono con proprietà simili alla Terra ha vita su di loro, gli studi sugli esopianeti possono portare a un successo dove le altre due opzioni falliranno. E abbiamo fatto molta strada nei nostri studi sugli esopianeti: abbiamo più di 5000 esopianeti conosciuti e confermati all’interno della Via Lattea, di cui conosciamo la massa, il raggio e il periodo orbitale della maggior parte dei mondi confermati.
Sfortunatamente, questo non è sufficiente per informarci sul fatto che qualcuno di questi mondi sia abitato. Per prendere quella decisione, abbiamo bisogno di più di questo. Avremmo bisogno di sapere cose come:
- L’esopianeta ha un’atmosfera?
- Ha nuvole, precipitazioni e cicli meteorologici?
- I suoi continenti diventano verdi e marroni con le stagioni, come fanno sulla Terra?
- Ha gas o combinazioni di gas nella sua atmosfera che suggeriscono attività biologica e mostrano variazioni stagionali come i livelli di CO2 della Terra?
All’avanguardia nell’esecuzione di queste misurazioni, oggi, ci sono i telescopi spaziali JWST e terrestri di classe 10 metri, che eseguono l’imaging diretto di esopianeti e la spettroscopia di transito.
Sfortunatamente, questa tecnologia non è sufficiente per raggiungere il nostro obiettivo di misurare le proprietà dei pianeti delle dimensioni della Terra in orbite simili alla Terra attorno a stelle simili al Sole. Per gli studi di imaging diretto, possiamo scattare foto di pianeti che hanno le dimensioni di Giove e che sono più lontani dalla loro stella di Saturno dal Sole: buono per mondi giganti gassosi, ma non così eccezionale per cercare la vita su pianeti rocciosi. Grazie alla spettroscopia di transito, possiamo vedere la luce che filtra attraverso le atmosfere di mondi delle dimensioni di una super-Terra attorno a stelle nane rosse, ma i pianeti delle dimensioni della Terra attorno a stelle simili al Sole sono ben oltre la portata della tecnologia attuale.
Attualmente, stiamo costruendo la prossima generazione di telescopi terrestri, inaugurando l’era dei telescopi di classe 30 metri con il GMTO e l’ELT, e guardando avanti alla prossima missione di punta della NASA in astrofisica: il Nancy Roman Telescope, che avrà le stesse capacità di Hubble ma con una strumentazione superiore, un campo visivo 50-100 volte più grande di quello di Hubble e un coronografo che ci consentirà di visualizzare i pianeti all’interno del bagliore della luce della loro stella madre.
Anche con questi progressi, tuttavia, otterremo solo pianeti delle dimensioni della Terra attorno alle stelle nane rosse più vicine e pianeti delle dimensioni di super-Terra o mini-Nettuno attorno a stelle simili al Sole. Per immaginare un pianeta veramente simile alla Terra, è necessario un osservatorio migliorato con capacità ancora maggiori.
Per fortuna, la nostra tecnologia non rimane stagnante, né le nostre visioni per la scoperta e l’esplorazione. Ogni decennio, la National Academy of Sciences si riunisce per delineare le massime priorità per l’astronomia e l’astrofisica, formulando raccomandazioni come parte di un sondaggio decennale. Sono state proposte quattro missioni di punta:
- Lynx , un osservatorio a raggi X di nuova generazione, particolarmente importante data la portata ridotta della prossima missione Athena dell’ESA,
- Origins , un osservatorio nel lontano infrarosso di nuova generazione, che colma un vuoto colossale nella nostra copertura della lunghezza d’onda dell’Universo,
- HabEx , un telescopio a specchio singolo progettato per visualizzare direttamente i pianeti simili alla Terra più vicini,
- e LUVOIR , un ambizioso telescopio segmentato gigante che sarebbe un osservatorio astronomico “da sogno” per tutti gli usi.
La missione con la priorità più alta è stata infividuata in una versione ingrandita di HabEx, tenendo conto delle caratteristiche sia di HabEx che di LUVOIR per formare l’Habitable Worlds Observatory. In molti modi, la specifica proposta ha centrato esattamente il “punto debole” tra la fattibilità data la tecnologia attuale, il potenziale di scoperta dato ciò che sappiamo e non sappiamo e l’efficacia dei costi, incorporando le lezioni apprese dai problemi riscontrati con la costruzione e il lancio di JWST.
Le specifiche proposte finora sono molto incoraggianti e comprendono:
- un design a specchio ottico segmentato, simile a quello già utilizzato da JWST,
- lo stesso tipo di tecnologia del coronografo attualmente in fase di sviluppo e test per il telescopio Roman,
- sensori aggiornati in grado di controllare i vari segmenti dello specchio per ottenere una stabilità a livello di ~picometro,
- compatibilità pianificata con i razzi di nuova generazione che voleranno tra la fine degli anni ’30 e l’inizio degli anni ’40,
- manutenzione robotica pianificata dei componenti nel punto di Lagrange L2, situato a circa 1,5 milioni di km dalla Terra,
- e nessuna tecnologia completamente nuova che non sia stata completamente maturata prima della fase di sviluppo/costruzione.
Ciò è estremamente incoraggiante, in quanto presenta un piano realizzabile che non è particolarmente suscettibile ai ritardi e ai superamenti dovuti principalmente alla necessità di sviluppare tecnologie completamente nuove che hanno afflitto JWST per anni prima del suo lancio.
Con queste capacità, l’Habitable Worlds Observatory avrà un’eccellente possibilità di raggiungere quello che forse è il Santo Graal dell’astronomia: rivelare per la prima volta all’umanità un pianeta effettivamente abitato. Con un design di dimensioni comprese tra 6,0 e 6,5 metri paragonabile a JWST, dovrebbe essere in grado di visualizzare direttamente pianeti delle dimensioni della Terra attorno a tutte le stelle entro circa ~ 14 anni luce dalla Terra. Ogni piccolo diametro in più conta in questo gioco, perché se riesci a raddoppiare il raggio in cui puoi vedere i pianeti, aumenterai il volume di ricerca e il numero previsto di oggetti di un fattore otto. Nelle vicinanze del Sole ci sono:
- 9 sistemi stellari entro 10 anni luce dalla Terra,
- 22 sistemi stellari entro 12 anni luce dalla Terra,
- 40 sistemi stellari entro 15 anni luce dalla Terra,
- e 95 sistemi stellari entro 20 anni luce dalla Terra.
Con questo progetto potrebbero essere osservati tra i 20 ed i 30 pianeti simili alla Terra ripresi direttamente dall’Habitable Worlds Observatory. Se c’è anche solo una piccola percentuale di possibilità che la vita prenda piede su un mondo simile alla Terra, allora questa missione sarà in grado di scoprire il nostro primo pianeta abitato oltre il Sistema Solare. Forse, se la natura è gentile, potremmo anche scoprirne più di uno.
Poiché abbiamo già affrontato il dolore dello sviluppo di molte delle tecnologie necessarie, tra cui il parasole a 5 strati utilizzato con JWST, il design dello specchio piegato/segmentato utilizzato con JWST e lo specchio deformabile utilizzato all’interno del coronografo del Roman (attualmente in fase di test con PICTURE-C, un esperimento in mongolfiera), non dovrebbe esserci nulla di completamente nuovo per far inciampare l’Habitable Worlds Observatory come è successo con JWST.
Tuttavia, tutti i nuovi sviluppi hanno i loro rischi che ne derivano. L’idea della manutenzione robotica è incoraggiante, perché abbiamo già svolto la manutenzione robotica in precedenza, ma solo fino all’orbita terrestre bassa. Alla distanza da L2, 1,5 milioni di chilometri, anche le istruzioni inviate alla velocità della luce hanno un ritardo di andata e ritorno di 10 secondi. La manutenzione richiederà sia la tecnologia missilistica che una tecnologia robotica automatizzata che attualmente non esiste.
Raggiungere allineamenti speculari a livello di ~picometro è una sfida tecnica che richiede progressi ben oltre gli allineamenti a livello di ~nanometro ottenibili oggi. Sebbene ciò richieda solo un miglioramento incrementale rispetto alla tecnologia esistente, sarà necessario dedicarvi una serie sostanziale di risorse, attualmente dedicate come parte del processo di “maturazione tecnologica” insito nelle fasi di progettazione e pre-progettazione.
Con la giusta progettazione e implementazione, potremmo trovarci di fronte a un osservatorio sui mondi abitabili:
- che verrà lanciato già tra la fine degli anni ’30 e l’inizio degli anni ’40,
- che rispetta budget e tempi,
- che possiede l’architettura necessaria per raggiungere i suoi obiettivi di osservazione senza bisogno di uno starshade,
- che è completamente rifornibile e i cui strumenti sono completamente riparabili e sostituibili,
- a cui potrebbe essere aggiunta un’ombra stellare in qualsiasi momento nel futuro,
- e che molto probabilmente immagini abbastanza pianeti “simili alla Terra” per scoprire almeno un esopianeta (e forse anche più di uno) che è effettivamente abitato.
La grande domanda che deve essere posta nella progettazione di questo telescopio è il compromesso tra quanti candidati simili alla Terra può visualizzare direttamente rispetto a quanto grande e costoso sarà il telescopio. Mentre la gamma da 6 a 7 metri sembra il punto debole, lo scenario da incubo è che costruiamo questo osservatorio un po’ troppo piccolo e con costi contenuti per trovare ciò che alla fine stiamo cercando: un pianeta alieno abitato.
Dobbiamo ricordare che nella ricerca della vita oltre la Terra, stiamo giocando a una lotteria con probabilità sconosciute. Ogni pianeta simile alla Terra che immaginiamo e caratterizziamo rappresenta un biglietto: un biglietto di una lotteria in cui le probabilità di tutti i premi sono sconosciute. Le nostre possibilità di successo dipendono interamente da quali biglietti sono vincenti e se ne acquistiamo abbastanza. La parte difficile è che non sapremo avere vincoli significativi su quali siano effettivamente quelle probabilità fino a quando non arriveranno i risultati dell’Habitable Worlds Observatory, quindi sta a noi costruirlo in modo tale che le nostre probabilità di almeno un successo sono i migliori possibili. Se lo facciamo, potremmo finalmente avere la risposta a “siamo soli nell’Universo?” Solo forse, sapremo per certo che la risposta è “no, ce ne sono altri“.
