Spazio

Di che colore sono le stelle? La storia dietro le immagini del telescopio James Webb

Massimo Stiavelli, capo della missione del JWST allo Space telescope science institute, spiega come vengono “sviluppate” le foto che emozionano scienziati e grande pubblico. E che nascono da osservazioni nell’infrarosso di frequenze invisibili all’occhio umano
 

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L’Universo visto dal James Webb space telescope non è a colori come lo vediamo noi. Le tinte sontuose delle immagini diffuse dalla Nasa il 12 luglio, infatti, sono una scelta fatta dagli scienziati: in questo modo diventano fruibili anche da un pubblico di non addetti ai lavori, e anche molto più spettacolari. Ma come spiega a Italian tech Massimo Stiavelli, che guida lo Space telescope science institute (STScl) di Baltimora, “la early release science è una tradizione per tutti gli osservatori, in genere è soprattutto l’effetto di mostrare belle immagini al grande pubblico, noi abbiamo cercato di fare immagini anche scientificamente significative”. E aggiunge: “Finora abbiamo solo scherzato”.

Stiavelli sovrintende a tutte le operazioni della missione del James Webb, dalle manovre al puntamento per le osservazioni. Fino al download quotidiano dei dati. Che vengono scaricati due volte al giorno: “Ogni giorno sono circa 50 gigabyte - sottolinea - il download avviene a 28 megabit per secondo. Era una buona velocità per internet dieci anni fa. Solo che noi siamo a un milione e mezzo di chilometri”. Stiavelli racconta del grande successo che hanno avuto, con “400 terabyte scaricati dal nostro cloud solo nel primo giorno”.

 

L’Universo all’infrarosso

Il James Webb osserva l’Universo nell’infrarosso, luce che l’occhio umano non vede. Semplificando molto: se avesse un oculare come i telescopi amatoriali, e ci accostassimo il nostro occhio, non vedremmo nulla al di fuori di qualche macchia rossastra (solo una piccolissima parte delle frequenze cadono al di qua del limite dello spettro del visibile). È stato progettato così perché è necessario per guardare molto più lontano rispetto ad Hubble, per esempio, ai primordi dell’Universo https://www.repubblica.it/cronaca/2022/07/12/news/la_prima_foto_a_colori_del_james_webb_svelata_da_joe_biden_galassie_del_lontano_universo-357481332/, oppure attraverso dense nubi di polveri, o analizzare gli elementi chimici, dell’atmosfera di pianeti che transitano davanti alle loro stelle. 

Dunque bisogna, arbitrariamente, assegnare dei colori, per “sviluppare” le foto. A monte di tutto il processo ci sono i filtri che vengono applicati direttamente dagli strumenti a bordo del telescopio: “Qualunque camera per uso astronomico non ha il colore - spiega Stiavelli - quindi, quando si fanno osservazioni in diverse bande, si mette davanti sempre un filtro. È così che si ottengono le immagini a colori. Si fa una osservazione con il filtro blu, una con il filtro rosso, una col filtro giallo e poi si possono combinare. Nel caso delle nostre osservazioni diventa un po’ meno intuitivo perché, essendo nell'infrarosso, i filtri che usiamo non hanno niente a che vedere con la visibilità all'occhio umano. È una convenzione”.

James Webb raccoglie luce dal vicino infrarosso (lunghezze d’onda più corte) al medio infrarosso (più lunghe). “Se per esempio ho un'immagine che ha un infrarosso vicino e un infrarosso medio e uno medio ancora più lontano, assegno il blu all'infrarosso vicino, magari il giallo all'infrarosso medio più vicino e il rosso all'infrarosso più lontano”, spiega l’astrofisico. 

Il telescopio James Webb
Il telescopio James Webb 

Sviluppare le foto

Una volta giunte a terra, avviene lo “sviluppo”. “Il telescopio ci manda le immagini per ogni colore separatamente - aggiunge Stiavelli - quando arrivano a terra, questi dati vengono combinati per produrre le immagini”. La differenza tra le lunghezze d’onda serve soprattutto per scopi scientifici, diversi per ogni strumento a bordo: “Se guardiamo l’immagine della nebulosa planetaria ad anello fatta dagli strumenti NirCam e Miri, vediamo per esempio il blu in zone diverse proprio perché i due strumenti funzionano in regioni diverse dello spettro”.

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Stiavelli fa un altro esempio, quello dell’immagine della nebulosa della Carena, che ha lasciato a bocca aperta tutto il mondo: “Per un'osservazione scientifica, i filtri vengono scelti sulla base delle leggi e delle quantità fisiche da misurare. In questo caso corrisponde anche a una scelta esteticamente gradevole. Il blu indica una lunghezza d'onda emessa dall’idrogeno ionizzato, ci mostra la distribuzione di gas che viene ionizzato dalla luce ultravioletta di quelle stelle giovani e molto luminose che illuminano l'intera regione. La parte rossastra, più scura, è stata fatta scegliendo un filtro sensibile a una frequenza emessa dalle polveri interstellari, e quindi ci fa vedere questi strati di polvere che stanno sulla superficie della nube di gas. Poi c'è un terzo filtro che invece è più sensibile alla luce delle stelle”. Risultato: nella foto del James Webb si vedono molte più stelle.

La nebulosa della Carena fotografata dal James Webb, in alto, e da Hubble, in basso. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI
La nebulosa della Carena fotografata dal James Webb, in alto, e da Hubble, in basso. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI 

Nel “Quintetto di Stephan”, la danza di galassie osservate all’infrarosso dal Webb, rivela più di quanto avesse potuto raccontarci Hubble: “L'immagine NirCam del Quintet, contrariamente alla nebulosa della Carena, è quasi uguale a quella Hubble, a una risoluzione un po’ più alta - fa notare Stiavelli - si vedono questi filamenti di gas in modo un po più dettagliato. Invece quella di Miri è completamente diversa appunto, per via delle polveri”. Miri,  Mid-Infrared Instrument, ha la capacità di vedere attraverso la materia come una camera a infrarossi. Questo permette di osservare le stelle immerse in dense nebulose. Oppure catturare l’attività di buchi neri che divorano materia e la convertono in parte in energia.

Il Quintetto di Stephan fotografato dal James Webb con gli strumenti combinati NirCam e Miri, a sinistra, e solo Miri a destra. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI
Il Quintetto di Stephan fotografato dal James Webb con gli strumenti combinati NirCam e Miri, a sinistra, e solo Miri a destra. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI 

Nato a Montecatini Terme, Massimo Stiavelli è arrivato nel 1995 negli Usa come astronomo Esa nel programma Hubble. Cinque anni dopo è, come dice, “passato agli americani”. È stato a capo del team Hubble ultra deep field: l’osservazione fatta dal telescopio spaziale nel 2004 che ha portato a catturare la luce delle galassie più lontane, in un angolo di cielo dove sembrava ci fosse solo buio. Sulla parete del suo studio accanto a un disegno fatto da suo figlio, c’è un quadro incorniciato proprio dell’Ultra deep field, che lui ha ricoperto con 18 esagoni dorati “comprati all’Ikea”, per simboleggiare i 18 specchi del James Webb.

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Anche Stiavelli si aspetta molto dalle nuove osservazioni: “L’immagine delle galassie lontane scattata da James Webb era pensata per far vedere come fosse possibile arrivare alle prestazioni di Hubble in molto meno tempo. Ma lo strumento si è dimostrato più sensibile delle aspettative. quindi finora abbiamo solo scherzato, andremo molto più in profondità”. E molto più lontano.