La missione spaziale Dawn

INTRODUZIONE

Che non si smetta mai di imparare vale anche in astronomia! Ed è proprio la curiosità di saperne di più che ha portato alla nascita della missione spaziale Dawn, che aiuterà gli astronomi ad approfondire le conoscenze della remota epoca durante cui si formarono Sole e pianeti, l’alba del sistema solare: “Dawn” è un parola inglese che significa proprio “alba”. E ciò avverrà esaminando le proprietà geofisiche di due asteroidi di Fascia Principale, 1 Cerere (o Ceres) e 4 Vesta: per questo motivo Dawn sarà la prima sonda spaziale ad orbitare attorno a due oggetti di Fascia Principale nel corso della stessa missione. Dawn è il nono progetto del Discovery Program della NASA, che ha l’intento di esplorare il Sistema Solare tramite missioni “low cost”, in modo da abbattere il più possibile i costi di sviluppo e missione.

CHI SONO VESTA E CERERE? GLI OBIETTIVI SCIENTIFICI DELLA MISSIONE

Prima di procedere con la descrizione della missione Dawn, dei suoi obiettivi scientifici e della struttura della navicella stessa, è opportuno spiegare che tipo di oggetti sono Cerere e Vesta e la storia della loro scoperta.

Si tratta di due asteroidi di Fascia Principale, una regione del Sistema Solare compresa fra le orbite di Marte e di Giove, a una distanza dal Sole tra 2 UA e 3,3 UA; 1 unità astronomica = 1 UA è la distanza media Terra­-Sole, pari a circa 150 milioni di chilometri. Il termine “asteroide”, di origine greca, significa “simile ad una stella”: ed è proprio così, simile ad una stella, cioè puntiforme, che ci appare un asteroide quando lo osserviamo attraverso un piccolo telescopio, per cui non riusciamo a distinguerne dettagli superficiali, esattamente come accade per le stelle più lontane del Sole.

La scoperta del primo asteroide, 1 Cerere, non arrivò grazie ad una ricerca dedicata, ma avvenne quasi per caso, come ci racconta il francese Camille Flammarion, nel suo libro “Astronomie Populaire” del 1880:

“Il primo giorno del nostro secolo, il primo gennaio 1801, un italiano, l’astronomo [Giuseppe] Piazzi, invaghito delle bellezze del cielo, osservava a Palermo le piccole stelle della costellazione del Toro e ne registrava con tutta esattezza le posizioni, allorchè gliene venne avvertita una che non aveva mai veduta. La sera appresso, il 2 gennaio, puntò di nuovo il suo cannocchiale sulla stessa plaga del cielo, e notò che la stella non era più nel punto in cui l’aveva vista la sera prima ed aveva retrogradato di 4’. Essa continuò a retrogradare fino a 12, poi si fermò, e si mosse in seguito in linea diretta, vale a dire, da ovest a est. Che cosa era quella stella mobile? L’idea che potesse essere un pianeta non si affacciò subito alla mente dell’osservatore, e la scambiò per una cometa, alla stessa guisa di William Herschel quando nel 1781 scoperse Urano: il sistema planetario pareva completamente conosciuto nei suoi membri essenziali; aggiungere ai vecchi un pianeta nuovo sarebbe stata cosa di alta importanza, laddove l’aggiungere una o più comete non poteva essere cosa di gran conseguenza.”.

Soltanto qualche tempo dopo Giuseppe Piazzi si rese conto che poteva trattarsi del “pianeta mancante”: un ipotetico pianeta orbitante tra Marte e Giove. L’esistenza di tale pianeta era già stata prevista dagli astronomo tedeschi Johann Titius e Johann Elert Bode, che suddivisero la distanza tra il Sole e Saturno, allora il più lontano pianeta allora conosciuto, in 100 parti o unità: così Mercurio veniva a trovarsi a quattro parti dal Sole, Venere a 7 (4+3), la Terra a 10 (4+6) e Marte a 16 (4+12). Titius e Bode notarono che ogni volta che il secondo numero in parentesi raddoppia si individuava un pianeta fino ad arrivare a Saturno, con l’unica eccezione di 28 (4+24), cui non corrispondeva alcun pianeta (la cosiddetta legge di Titius­Bode). Oggi, grazie a telescopi più potenti, sappiamo che quel pianeta mancante ipotizzato da Titius e Bode è l’asteroide 1 Cerere, scoperto proprio da Piazzi l’ 1 gennaio 1801.

Si ritiene che, 4,6 miliardi di anni fa, agli albori del Sistema Solare, la forza di gravità di Giove abbia impedito la formazione di un unico pianeta tra le orbite di Marte e di Giove, lasciando invece al suo posto una cintura di detriti, quella che noi oggi conosciamo come fascia principale degli asteroidi. Le successive collisioni tra questi oggetti celesti ne hanno prodotto la frantumazione e aumentato il numero, e complesse dinamiche hanno prodotto lo spostamento di alcuni frammenti dalla fascia principale degli asteroidi ad altre zone del sistema solare.

Vesta e Cerere sono i due asteroidi più massicci, e sono molto più grossi degli altri asteroidi visitati da navicelle spaziali. Entrambi sono sopravvissuti pressoché intatti alle numerose collisioni con altri corpi celesti tipiche del turbolento passato del sistema solare, e mantengono ancora tracce delle condizioni fisiche e chimiche che c’erano durante le prime fasi di formazione dei pianeti. Alcune delle loro caratteristiche sono elencate nella seguente tabella:

Note: perielio = punto dell’orbita di un asteroide più vicino al Sole

afelio = punto dell’orbita di un asteroide più lontano dal Sole

inclinazione = angolo tra il piano dell’orbita di un asteroide e il piano dell’orbita terrestre

Vesta sembra essere un corpo secco, indifferenziato, con tracce di flussi di lava a base di  pirosseni. Le osservazioni telescopiche rivelano variazioni mineralogiche attraverso la sua superficie. Sembra che sul Polo Sud ci sia un enorme cratere da impatto di 460 km di diametro, a riprova dell’importante ruolo giocato dagli impatti tra corpi celesti durante la
formazione del sistema solare. Il confronto degli spettri di riflessione suggerisce che le meteoriti acondritiche conosciute come HED (costituite perlopiù da minerali come howardite, eucrite e diogenite, da cui l’acronimo HED che ne identifica il tipo) siano frammenti di Vesta. Tramite analisi di laboratorio delle meteoriti HED si potrebbero quindi migliorare le conoscenze relative a struttura ed evoluzione di Vesta.

Ceres, o Cerere, l’oggetto più grande della fascia degli asteroidi, appena più lontano dal Sole di Vesta, è molto diverso. Non rivela il ricco spettro di riflessione tipico di Vesta, e ad esso non è associato alcun meteorite. Alcune osservazioni nelle microonde sono state interpretate come indizio del fatto che possa essere ricoperto di un materiale tipo argilla, che indicherebbe che l’acqua ha avuto una certa rilevanza nella storia di Cerere. A dimostrazione di questa conclusione c’è la scoperta di possibili tracce di minerali idrati. L’evidenza di una fuga di gruppi OH (ossidrile) dal polo nord è in buon accordo con un modello secondo cui una calotta polare durante l’inverno è soggetta ad infiltrazioni sub­ superficiali d’acqua, che poi ghiaccerebbe e infine si scioglierebbe in parte durante l’estate. Il ghiaccio d’acqua, nelle zone che non sono mai illuminate dal Sole, potrebbe essersi preservato all’interno di Cerere per un periodo pari all’età del sistema solare. Una curiosità: se un astronauta si avventurasse su Cerere, peserebbe leggermente meno di un terzo del suo peso sulla Terra.

Le profonde differenze nella geologia di questi due pianetini ne rendono lo studio comparato piuttosto avvincente. Per cercare di fornire una spiegazione di tali diversità, occorreranno misure molto accurate di vari parametri come densità, orientazione dell’asse di rotazione, misure del campo gravitazionale e della composizione chimico­mineralogica dei due asteroidi. Naturalmente non mancheranno la mappatura e la ripresa di immagini ad alta risoluzione delle superfici di Ceres e Vesta.

PROFILO DI MISSIONE

La missione spaziale Dawn è iniziata il 27 settembre 2007 col lancio dalla piattaforma 17­ B della Air Force Station di Cape Canaveral, Florida, alle ore 7.34 locali (le 13.34 italiane) a bordo di un vettore Delta II­Heavy, il più potente della classe Delta II, caratterizzato da tre stadi e nove booster (razzi) a combustibile solido.

Dopo l’assist gravitazionale di Marte il 17 febbraio 2009, la sonda ha iniziato la lunga cavalcata interplanetaria che l’ha portata ad inserirsi in orbita attorno a Vesta nel luglio 2011. Dopo aver seguito per un anno Vesta, la sonda partirà per Cerere a luglio 2012 dove arriverà nel 2015. Attualmente Dawn si trova poco distante da Vesta, come si può vedere nel diagramma qui sotto:

Questo altro diagramma invece fornisce un colpo d’occhio delle tappe passate e future della missione:

LA NAVICELLA SPAZIALE

La struttura esterna è praticamente un cubo di materiale composito e alluminio con lato di 2,36 m (circa la lunghezza di una grossa motocicletta), se i pannelli solari sono piegati, come in fase di lancio; se invece i pannelli solari sono dispiegati, la sonda raggiunge la lunghezza di 19,7 m. Una delle caratteristiche più interessanti di Dawn è quella di essere costituita da
parecchie parti “riciclate” da altre missioni spaziali, al fine di mantenere i costi di sviluppo e progettazione contenuti, come accennato nell’introduzione: ciò significa che i componenti di Dawn sono nuovi, ma il loro progetto in realtà è stato già sviluppato per precedenti missioni spaziali, quando addirittura non si siano utilizzati direttamente i loro modelli di qualifica (Qualification Model, QM): un modello di qualifica è una copia perfettamente identica del satellite che poi svolgerà effettivamente la missione spaziale, o di parte di esso (elettronica, struttura, propulsori…). A differenza del satellite vero e proprio, il modello di qualifica serve soltanto per effettuare tutti i test a terra, come prove funzionali e ambientali e le prove di sollecitazione termica e meccanica. Il QM può sostituire il satellite vero e proprio dopo un opportuno ricondizionamento reso necessario dallo stress indotto dalle prove di qualifica. In questo modo, quando si tratta di scegliere gli apparati da installare a bordo di Dawn, si ha la certezza di trovare pezzi già ben collaudati e di cui si conoscono in modo approfondito pregi e difetti: è quello che nel gergo aerospaziale si definisce “avere componenti on the shelf, già pronti sullo scaffale”. Alcuni componenti e apparati “on the shelf” presenti su Dawn sono i seguenti:

• Il sistema di comunicazione navicella­Terra (Telecom), ridondato due volte, opera nella banda X sia in trasmissione sia in ricezione. E’ basato sullo Small Deep Space Transponder, testato sulla missione Deep Space 1 e usato nella maggioranza delle missioni NASA oltre l’orbita lunare sin dai tempi del Mars Odissey. Il cuore di questo apparato è costituito da una coppia di Travelling Wave Tubes (abbreviato in TWT), o Tubi ad onda viaggiante da 100 W di potenza: si tratta di un dispositivo elettronico usato per generare onde radio o microonde di elevata potenza, ampliandone la frequenza. Del sistema di comunicazione fanno parte anche un’antenna fissa ad alto guadagno (High Gain Antenna, HGA) da 1,52 m di diametro e tre antenne a basso guadagno; ­
• Sistema di controllo d’assetto già collaudato sui satelliti Orbview TOPEX/Poseidon per oceanografia e Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) per astronomia nel lontano ultravioletto;
• ­ Sistema di controllo dei propulsorii con due set di sei motori da 0,9 N già usati sul satellite indiano per telecomunicazioni Indostar; ­
• Software di volo basato su quello dei satelliti per applicazioni commerciali Orbview;
• Propulsori ionici, basati sul progetto di quelli testati sulla missione Deep Space 1.

Di seguito, sono raffigurate due viste di Dawn: la prima è una veduta globale della sonda in cui si notano i due grandi pannelli solari, che insieme coprono una lunghezza di quasi 20 m e sono in grado di produrre più di 10 kW di potenza elettrica alla distanza Terra­-Sole e più di 1 kW alla massima distanza, corrispondente a quella di Ceres:

Nella seconda illustrazione si vede più in dettaglio la disposizione di strumenti e apparati di Dawn con la relativa legenda degli acronimi usati:

CSS – Coarse Sun Sensors

FC – Framing Camera

GRaND – Gamma Ray and Neutron Detector

HGA – High Gain Antenna

IPS Thrusters – Ion Propulsion Thrusters

LGA – Low Gain Antenna

RCS Thrusters – Reaction Control System Thrusters

VIR – Visible and Infrared Mapping Spectrometer

Fonti: http://dawn.jpl.nasa.gov/

           https://www.nasa.gov/mission_pages/dawn/main/index.html