Il 30 ottobre 2023 è stato inaugurato il WHT Enhanced Area Velocity Explorer, WEAVE, un potente spettrografo multifibra di nuova generazione installato al William Herschel Telescope (WHT) presso l'Observatorio del Roque de los Muchachos a La Palma, nelle Isole Canarie.

Alla cerimonia di inaugurazione hanno partecipato i leader delle istituzioni scientifiche che hanno partecipato al progetto come i paesi partner dell'Isaac Newton Group of Telescopes (ING), e numerosi rappresentanti dei quasi 500 ricercatori coinvolti nella progettazione e costruzione dello strumento. È stato il più grande raduno di persone mai avvenuto all'interno della cupola del WHT.

Il progetto WEAVE è stato lanciato più di 10 anni fa grazie alla spinta di un grande team di astronomi che ha visto nella spettroscopia a grande campo con fibre ottiche il potenziale per sfruttare grandi insiemi di dati, come quelli forniti dal satellite Gaia dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA); lo strumento, inoltre, conferisce nuova vita al Telescopio William Herschel, ora rinnovato e dotato di una delle più grandi lenti astronomiche mai costruite.

Dopo anni di progettazione e costruzione dislocate in Paesi di quattro continenti, WEAVE è stato finalmente installato al WHT nel maggio 2022 e ha ottenuto i primi dati scientifici nel dicembre dello stesso anno. Nel corso del 2023 sono state messe a punto diverse modalità di osservazione e sono stati ottenuti i primi dati per verificare le sue capacità scientifiche.

L'inaugurazione di WEAVE, quindi, segna l'inizio del suo regolare sfruttamento scientifico e, più precisamente, l'avvio dei programmi WEAVE Survey e open-time che utilizzano la sua grande unità a campo integrale (LIFU). I programmi scientifici che utilizzano la modalità di spettroscopia multi-oggetto (MOS) inizieranno invece nel 2024, seguiti dalle osservazioni con la terza modalità di osservazione di WEAVE che utilizza piccole unità a campo integrale (mIFU).

"WEAVE è uno spettrografo di nuova concezione", commenta Antonella Vallenari, ricercatrice dell’INAF di Padova, responsabile italiana della costruzione di WEAVE e responsabile di una survey che studia gli ammassi stellari della Via Lattea. "Le sue caratteristiche (osservazioni multiple, risoluzione spettrale, sensibilità, posizione nell'emisfero Nord) lo rendono uno strumento leader a livello mondiale per osservazioni spettroscopiche a grande campo per il prossimo decennio. I dati ottenuti porteranno a un passo significativo nella nostra comprensione dell'Universo locale che è fondamentale per capire l'evoluzione delle galassie. Sotto questo aspetto, WEAVE sarà complementare ai grandi telescopi e alle missioni spaziali come JWST e Euclid".

WEAVE, tecnicamente, è uno spettrografo multimodale e multifibra che utilizza fibre ottiche per raccogliere la luce da sorgenti celesti e trasmetterla a uno spettrografo. Lo spettrografo a due bracci di WEAVE separa la luce nelle sue diverse lunghezze d'onda, o colori, e le registra su rilevatori CCD di grande formato. I dati grezzi vengono trasferiti ai computer di Cambridge e Tenerife, mentre i prodotti pronti per la scienza vengono conservati in un archivio a La Palma per essere utilizzati a fini scientifici. Gli spettri risultanti contengono le impronte digitali delle proprietà fisiche e chimiche di stelle, galassie, quasar e gas interstellare e intergalattico.

"Una delle caratteristiche uniche di WEAVE, tra gli altri spettrografi multi-oggetto, è la sua nitidezza nel dividere la luce in arrivo nelle sue lunghezze d'onda componenti, nota anche come potere di risoluzione spettrale, un’operazione che potrà eseguire per ben 960 sorgenti celesti simultaneamente  su un'area di 3 gradi quadrati in cielo", dice Daniela Bettoni, ricercatrice dell’INAF di Padova e chair dell’Editorial Board di WEAVE. "Mentre il potere risolutivo spettrale di WEAVE in modalità a bassa risoluzione è paragonabile a quello di altri spettrografi multioggetto attuali, il suo potere risolutivo in modalità ad alta risoluzione è da cinque a dieci volte superiore a quello di altri srumenti simili nell'emisfero settentrionale. Questo elevato potere risolutivo si traduce in misure di velocità più accurate (fino a 1 km/s) e in misure di abbondanza chimica molto più precise di quelle ottenibili con altre strutture MOS dell'emisfero settentrionale".

La versatilità di WEAVE è un altro dei suoi punti di forza. La modalità LIFU (a grande campo integrale) ospita 547 fibre strettamente impacchettate per produrre immagini di aree estese del cielo, mentre nella modalità MOS due robot posizionano separatamente fino a 960 fibre individuali per raccogliere la luce di altrettante stelle, galassie o quasar. Nella modalità mIFU, infine, le fibre sono organizzate in 20 unità, ognuna delle quali comprende 37 fibre che vengono utilizzate per studiare piccoli obiettivi estesi come nebulose e galassie lontane.

Nei prossimi anni l'ING assegnerà il 70% del tempo disponibile sul WHT alla WEAVE Survey, un insieme di otto grandi indagini selezionate tra quelle proposte dalle comunità astronomiche dei paesi partner.

"Nei prossimi anni le survey di WEAVE (in cui INAF è fortemente coinvolta) aiuteranno a chiarire alcuni temi cruciali per lo studio di come si è formata la nostra Galassia e come si sono evolute le stelle al suo interno", continua Bettoni. "Si potranno studiare i meccanismi di formazione delle galassie fino a redshift 1, i gruppi e gli ammassi di galassie e infine cosa sono la materia oscura e l'energia oscura".

Ciascuna di queste indagini richiederà gli spettri di diversi milioni di stelle e galassie, un obiettivo raggiungibile grazie alla capacità di WEAVE di osservare quasi 1000 target alla volta (in modalità MOS). In sinergia con il satellite Gaia dell'ESA, la modalità MOS di WEAVE sarà utilizzata per ottenere spettri di stelle nel disco e nell'alone della nostra Galassia, consentendo di studiare la cosiddetta archeologia della Via Lattea. Galassie vicine e lontane, alcune rilevate dal radiotelescopio LOFAR, saranno studiate per conoscere la storia della loro formazione ed evoluzione. I quasar saranno utilizzati come fari per mappare la distribuzione spaziale e le interazioni del gas nelle galassie quando l'Universo aveva solo il 20% circa della sua età attuale.

Fra le grandi indagini firmate INAF in cui verrà impiegato il nuovo spettrografo del WHT c’è la Stellar Populations Survey, StePS.

"StePS utilizzerà la grande efficienza di WEAVE in modalità multi-oggetto per osservare ben 25000 galassie", dice Angela Iovino, ricercatrice dell’INAF di Brera e Principal Investigator della survey. "Gli spettri che otterrà saranno di qualità tale da poter permettere una ricostruzione precisa delle proprietà di ciascuna delle galassie osservate. Potremo dire, ad esempio, quando hanno formato le stelle che le costituiscono, come si sono arricchite in elementi pesanti, quali sono le loro proprietà dinamiche e molto altro ancora. Queste informazioni potranno essere combinate con quelle già disponibili nell'Universo locale, permettendo di tracciare l'evoluzione delle galassie senza cesure in un intervallo di tempo che copre metà dell'età totale dell'Universo".

Il restante 30% del tempo disponibile è riservato a progetti selezionati in modo competitivo tra quelli proposti dagli astronomi dei Paesi partner dell'ING (Regno Unito, Spagna, Paesi Bassi). Il programma WEAVE Open-Time, infine, sfrutterà la versatilità di WEAVE per fornire risposte rapide a domande immediate. C’è anche spazio per programmi che sfruttano congiuntamente WEAVE e le diverse capacità dei telescopi degli Osservatori delle Canarie, come il GranTeCan di 10,4 metri, volti a promuovere la collaborazione scientifica tra gli astronomi di tutti i Paesi che gestiscono i telescopi degli Osservatori situati nell'arcipelago.

L'ING ha avviato i piani per la costruzione di WEAVE dopo un'ampia consultazione con la comunità di utenti dell'ING su ciò che era necessario per il futuro. C'era un ampio consenso sul fatto che fosse necessario uno spettrografo multioggetto a grande campo per proseguire da terra le enormi indagini intraprese da potenti telescopi spaziali come la sonda Gaia dell'ESA, contribuendo così ad affrontare le principali sfide astrofisiche previste per il prossimo decennio.

L'accordo multilaterale per la progettazione e la costruzione di WEAVE è stato firmato nel 2016 dai Paesi del partenariato ING (Regno Unito, Spagna e Paesi Bassi), a cui si sono aggiunti Francia e Italia. Alla guida del team di costruzione dello strumento c’è l'Università di Oxford (con la figura del Principal Investigator), l'Università di Groningen (con la figura del Project Scientist), l’ING (con la figura del Project Manager e dell’Instrument Scientist). INAF ha contribuito allo sviluppo di alcuni componenti principali di WEAVE, co-finanziando delle lenti, partecipando alla produzione delle ottiche dello spettrografo, e sviluppando i software di elaborazione, analisi e archiviazione dei dati.