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Planck è stato un satellite europeo, operativo tra il 2009 e il 2013, con l’obiettivo di misurare la radiazione cosmica di fondo e migliorare la nostra conoscenza sulle origini e l’evoluzione dell’universo. Era equipaggiato con due sofisticati strumenti: il Low Frequency Instrument (LFI) e l’High Frequency Instrument (HFI). Oltre a partecipare alla costruzione del satellite, l’Italia è stata responsabile dell’LFI, con il ruolo di Principal Investigator affidato a Nazzareno Mandolesi dell’INAF-IASF di Bologna, ma ha partecipato anche alla realizzazione dell’HFI. Per entrambi gli strumenti, gli scienziati italiani sono stati fortemente coinvolti nell’attività scientifica legata alla missione, che ha realizzato la più accurata e dettagliata mappatura dell’intera volta celeste alle frequenze delle microonde mai ottenuta fino a quel momento.
Per misurare le infinitesimali variazioni di temperatura della radiazione cosmica di fondo, pari a pochi milionesimi di grado, i due strumenti dovevano essere mantenuti a temperature eccezionalmente basse. Questo obiettivo è stato raggiunto con una complessa catena di raffreddamento a stadi successivi. I due strumenti lavoravano a temperature diverse ed erano inseriti uno dentro l’altro.
Per prima cosa era necessario isolare gli strumenti dalla parte “calda” del satellite, il modulo di servizio orientato verso il sole. Questo obiettivo è stato ottenuto con un sistema di scudi termici molto ingegnoso ed eccezionalmente efficiente chiamato “V-grooves”: lo stesso principio poi adottato dal telescopio James Webb. In questo modo si è riusciti a portare la temperatura del payload a 50 Kelvin, circa -223 °C, una temperatura già molto bassa ma non ancora sufficiente.
Lo strumento LFI veniva poi portato a circa 20 Kelvin (-253 °C) con un particolare refrigeratore a idrogeno che aveva la caratteristica di non usare alcuna parte meccanica in movimento, eliminando così qualsiasi vibrazione che potesse disturbare le misurazioni scientifiche.
Lo strumento HFI veniva invece raffreddato con tre stadi successivi, l’ultimo dei quali sfruttava il principio della “diluzione d’elio”: questo stadio faceva miscelare continuamente due isotopi rari dell’elio, l’elio-3 e l’elio-4, con un processo endotermico, capace di assorbire calore, un po’ come l’evaporazione di un liquido, e di sottrarre le ultime frazioni di microwatt, per arrivare a una temperatura di un decimo di Kelvin (-273,05 °C). La temperatura “naturale” della radiazione cosmica di fondo è di circa 2,7 K (-270,45 °C), quindi lo strumento HFI era molto più freddo dell’ambiente circostante: un risultato possibile soltanto grazie a sistemi di raffreddamento attivi.
All’epoca lo strumento HFI era l’oggetto più freddo noto nello spazio, nonché il più freddo oggetto artificiale, ma in seguito questo record è stato superato. Attualmente l’esperimento della NASA Cold Atom Lab (CAL), a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, è in grado di arrivare a temperature dell’ordine di poche decine di picokelvin, cioè meno di un decimiliardesimo di Kelvin.