New Horizons: l’ultima frontiera del sistema solare

Sono trascorsi più di 50 anni da quando la NASA ha dato inizio all’esplorazione planetaria del nostro sistema solare. Ora, dopo aver “esplorato” tutti i pianeti che orbitano intorno alla nostra stella madre, il Sole, sta giungendo al termine la prima era dell’esplorazione spaziale. Il 14 luglio 2015 infatti la sonda New Horizons raggiungerà Plutone e le sue due.

Cos’è Plutone?

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Si tratta di un planetoide che orbita nelle regioni periferiche del nostro sistema solare. Possiede un’orbita eccentrica che interseca quella di Nettuno. Tuttavia, grazie ai suoi particolari parametri orbitali, Plutone è considerato un classico esempio di oggetto transnettuniano: pur avendo il semiasse maggiore dell’orbita più lungo di quello dell’orbita di Nettuno, esso si avvicina al Sole più dello stesso Nettuno. Scoperto nel 1930 da Clyde Tombaugh, venne dapprima chiamato “nono pianeta” e solo in seguito ribattezzato Plutone, in onore della divinità romana dell’oltretomba; il suo simbolo astronomico è  , che rappresenta il monogramma di Percival Lowell, l’astronomo che per primo ne postulò l’esistenza. Il 24 agosto 2006 l’Unione Astronomica Internazionale lo ha declassato a pianeta nano in quanto le sue caratteristiche non soddisfano il terzo requisito necessario affinché un corpo celeste sia considerato un pianeta (non possiede infatti un’orbita priva di oggetti orbitanti perché la sua attrazione gravitazionale non è tale da respingerli o attrarli nella sua atmosfera). Nel marzo 2009 però, il Congresso dello stato dell’Illinois (patria di Clyde Tombaugh) ha votato una legge che restituisce a Plutone lo status di pianeta. Plutone è anche il decimo corpo massiccio che orbita intorno al Sole (secondo pianeta nano, dopo Eris).

New Horizons

La sonda, lanciata il 19 gennaio 2006, si è risvegliata con successo dall’ibernazione il 6 dicembre 2014. Il sorvolo di Plutone è previsto per il 15 luglio 2015. Nel corso della sua missione ha avuto modo di sorvolare e osservare altri pianeti e corpi celesti fra cui: Marte (aprile 2006), fascia di asteroidi (maggio 2006),  Giove (febbraio2007),  Saturno (giugno 2008),  Urano (marzo 2011), Nettuno (agosto 2014). Dopo l’osservazione di Plutone, è previsto il sorvolo di alcuni oggetti della fascia di Kuiper tra il 2015 e il 2020. La missione avrà fine nel 2026, mentre per dicembre del 2038 uscirà dal nostro sistema solare raggiungendo la distanza di 100 UA dal Sole. New Horizons ha la forma triangolare con un RTG (Generatoer Termoelettrico a radioisotopi) cilindrico che sporge da un lato e un’antenna parabolica da 2,5 metri di diametro posizionata in cima al triangolo. La sonda comunica con la Terra attraverso la banda X mentre da Plutone trasmetterà a 768 bit/s. In passato da Giove ha trasmesso a 38 Kbit/s. I segnali verranno ricevuti dal Deep Space Network. L’RTG fornirà energia fino a 190 Watt che ne garantiranno il funzionamento sicuro almeno fino al termine del 2015. Il propellente utilizzato è l’idrazina, che fornisce una velocità di 290 m/s di delta-v. La sonda è dotata di stabilizzatori lungo i tre assi e lungo le tre possibili rotazioni mentre le fotocamere sono montate su un lato del triangolo. Il peso totale della sonda, incluso il propellente, è di 470 kg, ma sarebbe stato di soli 445 kg nel caso in cui il lancio fosse stato diretto esclusivamente verso Plutone. Tale opzione avrebbe escluso infatti il fly-by di Giove, ed avrebbe comportato una minor quantità di propellente disponibile per le operazioni successive nella Fascia di Kuiper. La sonda, dall’alta tecnologia, possiede sette strumenti principali.

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Una fotocamera digitale ad alta risoluzione nel campo del visibile chiamata LORRI (Long Range Reconnaissance Imager), il laboratorio PERSI (Pluto Exploration Remote Sensing Investigation) consistente in due strumenti: Ralph un telescopio con diverse lunghezze d’onda analizzabili (un CCD per le lunghezze d’onda visibili, LEISA uno spettroscopio per l’infrarosso e uno spettroscopio per l’ultravioletto chiamato “Alice”. Poi il gruppo PAM, uno strumento che analizza le particelle ad alta energia ed è formato da un analizzatore toroidale elettrostatico (SWAP) e un misuratore della vita di volo degli ioni e sensore di elettroni (PEPSSI). Il REX (Radio Science Experiment) che tramite un’oscillatore stabile effettua analisi radio sul pianeta nano. Infine lo student-built dust counter (SDC) un misuratore di polvere solare installato a bordo della sonda.

La missione

Al di là dell’osservazione di Plutone, la missione ha obiettivi secondari, come l’osservazione di Giove già avvenuta nel 2007, e l’osservazione degli asteroidi troiani di Nettuno e della fascia di Kuiper. Il sorvolo di Giove avvenne a circa 32 raggi gioviani (3 milioni di km) e la sua osservazione durò ben quattro mesi. Giove è un soggetto interessante e sempre in cambiamento, le sue condizioni sono cambiate dalla la fine della missione Galileo. New Horizons possiede una strumentazione con tecnologia più avanzata rispetto a quest’ultima, soprattutto nelle camere. L’incontro con Giove è servito proprio per testare la strumentazione in vista di Plutone. A causa della “breve” distanza tra la Terra e Giove, le telecomunicazioni hanno permesso di trasmettere una quantità maggiore di dati rispetto a quelli che verranno trasmessi da Plutone.

L’osservazione di Giove ebbe inizio 4 settembre 2006 e gli obiettivi primari includevano la dinamica delle nubi del pianeta, notevolmente ridotte dalla conclusione della missione della sonda Galileo, e lo studio della magnetosfera gioviana. Per una fortunata coincidenza, la traiettoria di allontanamento dal pianeta seguita dalla New Horizons, ha permesso di studiare la coda della magnetosfera gioviana nei mesi seguenti. La sonda ha anche esaminato il lato notturno del pianeta per rilevare aurore e fulmini, e ad essa si devono le prime osservazioni ravvicinate della “Piccola Macchia Rossa” (o Ovale BA, come è ufficialmente indicata), una tempesta che viene seguita da anni ma che precedentemente si presentava di colore chiaro e che ha cambiato colore dopo il sorvolo della sonda Cassini-Huygens, avvenuto nel 2000. Dopo Giove fu la volta dei satelliti gioviani che soppiantarono quelli galileiani in quanto la loro posizione in quel periodo non consentiva l’osservazione: il punto di destinazione della manovra di fionda gravitazionale si trovava a milioni di km da qualunque satellite maggiore, tuttavia gli strumenti della sonda sono stati progettati per studiare obiettivi piccoli, quindi si sono rivelati scientificamente utili.

Infatti LORRI ha ricercato vulcani e pennacchi, LEISA ha misurato le temperature notturne e gli hotspot mentre Alice ha studiato il toro di particelle magnetiche alimentato dal satellite. Sono state studiate le composizioni chimiche di Europa e le sue atmosfere e aurore. È stato possibile raffinare i dati sulle orbite di satelliti minori come Amaltea. Le osservazioni di Plutone, che verranno effettuate con LORRI e Ralph, inizieranno 6 ore prima del punto di avvicinamento minimo e mireranno al rilevamento di eventuali anelli o ulteriori satelliti (fino ad un diametro di 2 km) per coordinare le manovre e la pianificazione delle osservazioni. Le riprese a lungo raggio includeranno una mappatura di Plutone e Caronte (con risoluzione di 40 km) per 3,2 giorni. Le osservazioni saranno ripetute per cercare cambiamenti dovuti alle nevi o al criovulcanismo e, tramite misurazioni di radiometria, si potranno ricavare dati sulla temperatura. Durante il sorvolo, LORRI dovrebbe essere in grado di ottenere immagini selezionate con risoluzione di 50 m/px (se la distanza minore sarà circa di 10000 km), e il MVIC potrebbe ottenere mappe del lato illuminato a 4 colori con una risoluzione di 1,6 km. Entrambi gli strumenti cercheranno di sovrapporre le aree riprese per formare immagini stereo. Nel frattempo Alice analizzerà l’atmosfera, sia per le emissioni di molecole atmosferiche che dall’occultamento delle stelle sullo sfondo. Durante e in seguito all’avvicinamento minimo, gli strumenti SWAP e PEPSSI campioneranno l’alta atmosfera e i suoi effetti sul vento solare, mentre VBSDC cercherà polveri, ricaverà il tasso di collisione con meteorite ed eventuali anelli. Un compito molto affascinante è quello del REX che si occuperà delle analisi radio attive e passive.

Le stazioni a Terra infatti trasmetteranno un potente segnale radio mentre la sonda passerà dietro al disco di Plutone: i sistemi di telecomunicazione della sonda rileveranno la perdita e la successiva riacquisizione del segnale quando essa emergerà dall’altro lato del pianeta. In questo modo, calcolando i tempi di perdita e acquisizione del segnale verrà ricavato il diametro del pianeta, la densità atmosferica e la sua composizione per mezzo dei pattern di attenuazione e rafforzamento. Anche lo strumento Alice potrebbe effettuare questa misurazione utilizzando la luce del Sole al posto di un segnale radio. Questo esperimento sarà il primo ad utilizzare un segnale proveniente dalla Terra, mentre precedentemente veniva inviato il segnale dalla sonda verso la Terra (in questo caso invece non è possibile a causa della distanza). Verrà misurata la massa del pianeta e la sua distribuzione per mezzo dell’effetto Doppler del segnale radio provocato dalle modifiche all’accelerazione della sonda generate dal campo gravitazionale del pianeta. Il lato notturno invece sarà visibile tramite la luce solare riflessa da Caronte, che illuminerà anche eventuali anelli. Inizialmente verranno trasmesse delle immagini compresse, che saranno selezionate dal team scientifico per la pubblicazione. Le immagini non compresse impiegheranno invece diversi mesi per la trasmissione, a seconda del traffico sul Deep Space Network. Gli obiettivi primari sono: caratterizzare la geologia globale e la morfologia di Plutone e Caronte, mappare le composizioni chimiche delle superfici di Plutone e Caronte, caratterizzare l’atmosfera non ionizzata di Plutone.

Il non raggiungimento di uno di questi obiettivi costituirà il fallimento della missione. Gli obiettivi secondari invece prevedono: caratterizzare la variabilità dell’atmosfera e della superficie di Plutone, riprendere aree selezionate in stereoscopia, mappare il terminatore in alta risoluzione, mappare le composizioni chimiche di aree selezionate in alta risoluzione, caratterizzare la ionosfera di Plutone e la sua interazione con il vento solare, ricercare alcuni composti neutri come H₂, HCN, idrocarburi e altro, ricercare una eventuale atmosfera di Caronte, mappare le temperature superficiali. Ultimi ma non meno importanti, gli obiettivi terziari: caratterizzare le particelle energetiche attorno a Plutone e Caronte, raffinare le misurazioni dei parametri e delle orbite, cercare ulteriori satelliti naturali e anelli. Tuttavia questi obiettivi potrebbero essere annullati in favore di analisi prioritarie.

Dopo Plutone sarà la vota della Cintura degli asteroidi: per risparmiare carburante in vista di eventuali incontri con oggetti della fascia di Kuiper in seguito al sorvolo di Plutone, non sono stati pianificati incontri con oggetti della fascia degli asteroidi. Dopo il lancio il team scientifico ha analizzato la traiettoria della sonda per determinare se per coincidenza potesse avvicinarsi a sufficienza a qualche asteroide per effettuare osservazioni. Nel maggio 2006 venne scoperto che la sonda sarebbe passata vicino al piccolo asteroide 132524 APL il 13 giugno 2006. Il punto di avvicinamento minimo è avvenuto alle 4:05 UTC ad una distanza di 101 867 km e l’oggetto venne ripreso dallo strumento Ralph (non era possibile utilizzare LORRI a causa della vicinanza al Sole) che permise di testare le capacità dello strumento e misurare la composizione dell’asteroide. In seguito analizzerà gli asteroidi troiani di Nettuno poiché la traiettoria di New Horizons passerà nelle vicinanze del punto di Lagrange di Nettuno “L₅“, dove sono stati recentemente scoperti diversi asteroidi troiani. Attualmente non è noto se la sonda si avvicinerà sufficientemente ad uno di essi, nel quale caso verranno pianificate delle osservazioni. Sfortunatamente, questo punto sarà raggiunto dalla sonda solo poco prima dell’avvicinamento a Plutone e, a seconda della posizione degli asteroidi, New Horizons potrebbe non avere a disposizione sufficiente banda per raccogliere i dati. La missione è ideata per effettuare il sorvolo di uno o più oggetti della fascia di Kuiper dopo aver passato Plutone.

Poiché il sorvolo di quest’ultimo determinerà la traiettoria della sonda e a causa dello scarso combustibile restante, gli oggetti dovranno essere trovati all’interno di una regione conica che si estende da Plutone e si trova all’interno di 55 UA con una ampiezza inferiore ad un grado. A distanze maggiori la connessione dati diventerà troppo debole e la potenza dei generatori di energia sarà decaduta troppo per effettuare misurazioni e analisi. La popolazione di questi oggetti è piuttosto vasta, quindi si pensa di trovare diversi oggetti nonostante le limitazioni. Essi saranno dapprima individuati dai grandi telescopi a Terra prima del sorvolo di Plutone in modo da determinare le correzioni di traiettoria necessarie. Le osservazioni degli oggetti della fascia di Kuiper saranno simili a quelle condotte su Plutone, ma con minore disponibilità di potenza, luce e banda. Saranno studiati anche i quattro satelliti minori di Plutone: Stige, Notte, Cerbero e Idra. Verrà condotta la ricerca di eventuali satelliti o anelli sconosciuti e possibilmente l’analisi di un ulteriore oggetto della fascia di Kuiper. Il costo totale della missione è di 650 milioni di dollari, un preventivo non molto costoso dal momento che include anche la gestione della sonda da Terra.

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C’è infine un aspetto curioso, per alcuni macabro, ma dal grande valore morale: la sonda contiene una parte delle ceneri di Clyde Tombaugh, lo scopritore di Plutone. Si tratta del primo caso nella storia in cui dei resti umani, oltre ad aver vagato nello spazio, lasceranno il nostro sistema solare con la sonda, al termine della missione. Così come l’ESA celebrò l’atterraggio di Philae sulla cometa 67P col cortometraggio Ambition, anche la National Space Society ha commissionato a Erik Wernquist, il creatore di “Wanderers”, un filmato celebrativo che la pagina facebook “Chi ha paura del buio?” (Pagina italiana di divulgazione scientifica su Sole e dintorni che prende il titolo dal libro omonimo) ha tradotto e sottotitolato visionabile su Youtube tramite il seguente link.

 

Header Image Credits: http://mediaarchive.ksc.nasa.gov/detail.cfm?mediaid=27362