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Esplorando le Stelle dalla Luna: MoonLITE e i Servizi Lunari Commerciali della NASA

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L’interferometria ottica è una metodologia scientifica collaudata che implica l’uso di diversi telescopi separati per operare come un grande telescopio, ottenendo così dati più precisi rispetto a ciascun telescopio che lavora individualmente. Tuttavia, l’atmosfera caotica della Terra rende spesso difficile raggiungere risultati scientifici basati a Terra, ma cosa succederebbe se potessimo farlo sulla Luna? Questo è ciò che un studio recente presentato al SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2024 spera di affrontare, poiché un gruppo di ricercatori propone MoonLITE (Lunar InTerferometry Explorer) come parte del programma NASA Astrophysics Pioneers. Questo segue una proposta recente dello stesso gruppo di ricercatori riguardo il Big Fringe Telescope (BFT), un interferometro di 2,2 chilometri da costruire sulla Terra con l’obiettivo di osservare stelle luminose.

In questo contesto, Universe Today discute di MoonLITE con Dr. Gerard van Belle, astronomo presso l’Osservatorio Lowell a Flagstaff, Arizona, riguardo alla motivazione dietro la proposta di MoonLITE, la scienza che sperano di raggiungere, la preferenza per la posizione sulla superficie lunare, i costi di MoonLITE e i prossimi passi per rendere MoonLITE una realtà. Quindi, qual è la motivazione alla base della proposta di MoonLITE?
“Il reale ostacolo per eseguire interferometria ottica ad alta sensibilità e risoluzione è l’atmosfera terrestre,” racconta il Dr. van Belle a Universe Today. “È un mezzo turbolento e imprevedibile, il che significa che il tempo di esposizione del tuo telescopio è alla fine limitato a meno di un millisecondo circa. I telescopi che espongono per periodi più lunghi possono raggiungere una maggiore sensibilità, ma a scapito della risoluzione angolare – le immagini si sfocano. MoonLITE, con aperture di due pollici (50 mm), sarebbe più di mille volte più sensibile rispetto a telescopi a terra con aperture di 8 metri, poiché può osservare per molti minuti. Rispetto ai tempi di esposizione millisecondi sulla Terra, la quantità di luce raccolta da questi minuscoli telescopi supera quella di enormi telescopi industriali già nel primo secondo dopo l’apertura dell’otturatore.”

Proprio come il recentemente proposto BFT, MoonLITE ha diversi obiettivi scientifici che spera di raggiungere; lo studio menziona tre casi scientifici, tra cui lo studio dei raggi dei nane rosse a bassa massa (M-dwarfs), delle nane brune, degli oggetti stellari giovani (YSOs) e dei nuclei galattici attivi (AGN). Per le nane rosse e le nane brune, il team aspira a ottenere dati a lungo cercati riguardo le loro dimensioni e temperature, visto che osservarli da telescopi a terra si è rivelato difficile.

Per gli YSOs, i ricercatori sperano di ottenere una maggiore comprensione della formazione e dell’evoluzione di esopianeti abitabili all’interno dei dischi protoplanetari delle stelle di pre-sequenza principale, con MoonLITE in grado di esaminare le regioni interne di queste stelle e dimensionarli. Per gli AGN, i ricercatori sono desiderosi di conoscere di più sui buchi neri supermassivi e, in particolare, sui getti che emanano da essi, con MoonLITE che sarà in grado di osservare questi oggetti nelle lunghezze d’onda ottiche per la prima volta. Ma cosa altro possiamo imparare da questi tre casi scientifici?

“In realtà abbiamo più casi scientifici rispetto a questi – così tanti, che ci siamo resi conto che le nuove capacità di MoonLITE superavano la nostra immaginazione collettiva per coprire tutte le basi,” dice il Dr. van Belle a Universe Today. “Quindi, abbiamo inserito nel programma una selezione del 20% del tempo totale di osservazione da mettere a disposizione della comunità – sai, per raccogliere idee veramente creative. I tre che abbiamo pubblicato erano semplicemente quelli che pensavamo evidenziassero cosa si potrebbe fare con una maggiore sensibilità dalla superficie terrestre. Ad esempio, le stelle più piccole – il 10% della dimensione del nostro sole – sono anche le più deboli. E misurare le loro dimensioni è fuori portata per gli interferometri terrestri. Lo stesso vale per YSOs e AGNs – ce ne sono alcuni che possono essere osservati dalla Terra, ma per campioni più generali – quelli che rappresentano oggetti più tipici, non le strane eccezioni super-brillanti – serve molta più sensibilità.”

Un diagramma che mostra l’impostazione di MoonLITE sulla superficie lunare inizia con un lander fornito dai NASA’s Commercial Lunar Payload Services (1), che srotola un umbilicale in fibra oltre 100 metri (328 piedi) (2), concludendo con il dispiegamento della stazione siderostatica (3). Le operazioni scientifiche iniziano una volta completata la calibrazione degli strumenti. (Crediti: van Belle et al. (2024))
Uno degli aspetti unici di MoonLITE è che potrebbe essere portato sulla superficie lunare tramite i NASA’s Commercial Lunar Payload Services (CLPS), una collaborazione con il settore privato per consegnare carichi scientifici e tecnici sulla Luna per testare tecnologie che possono aiutare sia le missioni umane nell’ambito del Programma Artemis, sia le missioni scientifiche per approfondire la nostra comprensione dell’universo, come MoonLITE. Esempi di aziende partecipanti alle prossime missioni CLPS includono Intuitive Machines, Astrobiotic, Firefly Aerospace e Draper, tutte impegnate nella consegna di carichi a vari luoghi sulla superficie lunare. Ma esiste una posizione specifica in cui MoonLITE funzionerebbe meglio?

“Abbiamo progettato MoonLITE per essere completamente indipendente dal sito,” dice il Dr. van Belle a Universe Today. “Per un esperimento di piccole dimensioni come questo, salirà su un lander CLPS della NASA come ospite secondario – e mettere un numero minimo di requisiti sul tuo viaggio migliora le possibilità di ottenere un incarico. Quindi entrambe le latitudini polari o equatoriali funzionano, così come il lato visibile rispetto al lato invisibile.”

Come già accennato, questo stesso team di ricercatori ha recentemente proposto il Big Fringe Telescope, che dovrebbe essere un telescopio interferometro di 2,2 chilometri composto da 16 telescopi più piccoli di 0,5 metri di diametro. Oltre a svolgere scienze all’avanguardia, inclusa l’osservazione di sistemi stellari binari e la realizzazione di “film” di transito di esopianeti, una delle caratteristiche più notevoli del BFT è il suo costo estremamente contenuto rispetto agli attuali interferometri ottici nel mondo, con un costo approssimativo di $28.496.000.

Al contrario, il costo del Very Large Telescope Interferometer (VLTI) dell’Osservatorio Europeo Meridionale, composto da quattro telescopi da 8,2 metri e quattro telescopi mobili da 1,8 metri, è stato stimato in centinaia di milioni di dollari. Pertanto, qual è il potenziale costo di MoonLITE rispetto ad altri interferometri terrestri?
“MoonLITE è stato progettato per rimanere all’interno del budget previsto per la NASA Pioneers call for proposals,” racconta il Dr. van Belle a Universe Today. “Questa CfP [Call for Projects] stabilisce alcune cose: un tetto di costo di $20 milioni, inclusa una riserva non impegnata del 25%, quindi il livello di attività e hardware effettivamente budgetato è di $15 milioni. La CfP ti consente di richiedere alcune cose – prima di tutto, un viaggio CLPS, anche se devi rimanere all’interno del limite di massa di 50 kg per il CLPS. Il lander CLPS ipotetico nella CfP doveva fornire anche alcune altre cose – energia, comunicazioni, mobilità con un rover. Quindi, c’è effettivamente un bel po’ di supporto in-kind avvolto in quel viaggio CLPS.”

Presentare una proposta alla NASA è un processo molto approfondito che coinvolge diversi passaggi, noti anche come fasi, con un tasso di accettazione molto basso, spesso con diversi rifiuti e miglioramenti prima di essere accettati. Queste proposte vanno da CubeSats a missioni spaziali complete da miliardi di dollari, la maggior parte delle quali richiede anni per diventare missioni nel mondo reale anche dopo la selezione, se mai. Ad esempio, delle quattro proposte selezionate per ulteriore sviluppo nel gennaio 2021 Astrophysics Pioneers Program, (Aspera, Pandora, StarBurst e PUEO), solo due di esse hanno date di lancio definitive (StarBurst nel 2027 e PUEO nel 2025). Pertanto, se MoonLITE dovesse essere selezionato per l’avanzamento, potrebbero passare anni, o addirittura decenni, prima che atterri ufficialmente sulla superficie lunare per condurre ricerche. Sfortunatamente, mentre il Dr. van Belle afferma che il termine di proposta Pioneers 2024 è stato cancellato a causa di problemi di bilancio federale, quali sono i prossimi passi per rendere MoonLITE una realtà?
“Abbiamo presentato una proposta per la NASA Pioneers 2023 ma ci è stata rifiutata,” dice il Dr. van Belle a Universe Today. “Ma abbiamo ricevuto una buona revisione e siamo stati incoraggiati a migliorare le cose, affrontare le questioni percepite e ripresentare. Stiamo cercando di ridurre il rischio facendo alcuni test in laboratorio e a terra. Questo è un altro aspetto positivo di MoonLITE – possiamo semplicemente costruire un sistema rappresentativo qui a terra e testarlo direttamente. Non otteniamo la sensibilità raffinata che avremmo sulla Luna, ma altrimenti funzionerà allo stesso modo – dobbiamo solo osservare oggetti luminosi qui dalla Terra. Siamo quindi ansiosi di affrontare alcune di queste questioni emerse dalla commissione di revisione e ripresentare per il 2025.”

Con la NASA che si prepara a riportare gli esseri umani sulla Luna con il Programma Artemis per la prima volta dal 1972, il livello di scienza che può essere raggiunto sulla superficie lunare è senza precedenti. Ciò è particolarmente evidente vista l’assenza di un’atmosfera lunare, che consente di ottenere dati più accurati e potrebbe fornire agli scienziati una comprensione maggiore del nostro universo e del nostro posto in esso. Con MoonLITE, gli scienziati sperano di acquisire informazioni su stelle a bassa massa e nane brune, oggetti stellari giovani e nuclei galattici attivi potenzialmente da qualsiasi punto sulla superficie lunare, permettendo una maggiore diversità nella selezione dei siti e degli oggetti celesti che possono essere osservati.
Il Dr. van Belle conclude dicendo a Universe Today, “MoonLITE è super emozionante, non solo perché è un esperimento ad alto impatto in un pacchetto notevolmente accessibile – ma perché dimostrerà che l’intero approccio funziona e può essere portato molto, molto oltre. Come esempio, l’astrometria ad alta precisione da un interferometro lunare potrebbe caratterizzare le masse di esopianeti terrestri. Le misurazioni della massa sono necessarie in preparazione dell’Osservatorio Habitable Worlds degli anni 2040, per comprendere lo spettro che otterrà e disambiguare quegli spettri per segni di vita.”

Come contribuirà MoonLITE all’interferometria ottica sulla superficie lunare nei prossimi anni e decenni? Solo il tempo lo dirà, ed è per questo che facciamo scienza!
Come sempre, continuate a fare scienza e a guardare in alto!

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