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Lunedì, 26 Marzo 2012 12:53

Prossima tappa Giove con JUICE

Redazione mediaGEO

JUICE background
Tra poche settimane l'Agenzia Spaziale Europea, nell’ambito del suo programma Cosmic Vision, dovrà scegliere una fra tre missioni di ricerca ed esplorazione per finanziarne lo sviluppo, la costruzione, il lancio e le successive operazioni, fino al conseguimento degli obiettivi scientifici previsti. Di queste tre missioni abbiamo seguito un interessantissimo ‘workshop’ tenutosi, a cura dell'Istituto Nazionale di Astrofisica, lo scorso 16 Marzo presso l'Osservatorio di Monte Mario a Roma. Stiamo parlando della Missione JUICE, JUpiter ICy moons Explorer, una sonda ideata per esplorare tre delle principali lune di Giove, il pianeta stesso e l'ambiente circostante. Una missione essenziale ed unica nel suo genere perché rivolta anche alla ricerca di possibili forme di vita elementari nel sistema gioviano.

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Origine della missione

Ormai tutti conoscono la cosiddetta "fascia di abitabilità", quella zona di un sistema planetario dove è possibile l’esistenza di acqua in forma liquida e, dunque, ipotizzare la presenza di eventuali forme di vita (le quali hanno bisogno dell'acqua per le reazioni chimiche necessarie allo sviluppo della vita stessa). Nel nostro Sistema Solare questa fascia è compresa tra l'orbita di Venere e quella di Marte (due estremi climatici) con la Terra ovviamente nel mezzo. Ma le esplorazioni passate del sistema di Giove, che con le sue lune principali costituisce un sistema solare in miniatura, hanno messo in luce non solo che la luna Europa è completamente ricoperta di ghiacci e probabilmente sede di un oceano liquido sotto i ghiacci di superficie, ma che anche Ganimede e Callisto possono essere caratterizzati da strati liquidi sotterranei, un’evidenza suggerita soprattutto dalle misure di induzione magnetica effettuate dalla sonda Galileo oltre dieci anni fa. La presenza di fenomeni geologici relativamente recenti su Europa e Ganimede, il continuo apporto energetico del gigantesco pianeta, la presenza di elementi chimici complessi, rendono queste lune, a tutti gli effetti, obiettivi molto interessanti nel Sistema Solare per quanto riguarda la scoperta di vita attiva e non semplicemente fossile. Per poter approfondire queste ricerche è necessario caratterizzare in dettaglio queste lune e l'ambiente che le circonda, e la missione JUICE ha proprio l'ambizioso scopo di rispondere a moltissime domande ed interrogativi aperti che potrebbero dare una svolta al modo di esplorare non solo il nostro Sistema Solare, ma anche i sistemi extrasolari che altre missioni stanno pazientemente, ed assiduamente, identificando.

La genesi di JUICE è complessa e soffre anch'essa del difficile rapporto USA/Europa per quanto riguarda le missioni spaziali congiunte. E' ormai storia ripetuta più volte quella della NASA che si ritira da accordi importanti a causa di tagli al bilancio e non deve sorprendere che ciò stia ancora avvenendo.Negli anni '80 la NASA si ritirò abbastanza clamorosamente dal progetto di una sonda pensata per l'esplorazione della cometa di Halley (durante il suo passaggio del 1986). In tale occasione l'ESA, agenzia ancora giovane sotto molti aspetti, decise coraggiosamente di procedere da sola in quella che sarebbe stata non solo la sua prima missione interplanetaria, ma anche una missione che nessuno aveva mai tentato prima. La sonda europea Giotto si rivelò un successo senza precedenti che porto l'umanità a conoscere la natura di questi corpi celesti che da sempre ci affascinano. Sempre negli anni '80 la NASA si ritirò anche da un'ambiziosa missione di esplorazione del Sole al di fuori del piano dell'eclittica, la International Solar Polar Mission. L'ESA, di nuovo con coraggio per via della novità della cosa, decise di procedere da sola con una sola sonda (invece di una coppia), e realizzò la sonda Ulysses che ci ha permesso, fino a pochi anni fa, di caratterizzare le regioni polari del Sole ed altre zone inesplorate del Sistema Solare. E' invece di pochi mesi fa il ritiro della NASA da un programma di esplorazione congiunta di Marte, che avrebbe visto l'ESA inviare su Marte il suo primo ‘rover’ grazie ad un sistema di atterraggio statunitense. Ora l'ESA ha deciso di procedere di nuovo da sola, usando i servizi di lancio russi e un sistema di atterraggio sviluppato congiuntamente. L'anno scorso invece, dopo mesi di progettazione, la NASA si è ritirata dalla missione congiunta EJSM-Laplace che prevedeva l’esplorazione coordinata del sistema di Giove per mezzo di due sonde automatiche: il Jupiter Europa Obiter (JEO, realizzato dalla NASA) e il Jupiter Ganymede Orbiter (JGO, realizzato dall'ESA). In un difficile momento economico come quello che stiamo vivendo, l'ESA sta dunque considerando di portare avanti il progetto JGO in maniera autonoma, ed includendo in questo l’osservazione della luna Europa. Dal ritiro degli USA è allora nata una nuova missione, appunto JUICE, che potrà dare all'Europa un'enorme esperienza nell'esplorazione della parte esterna del Sistema Solare ed i cui obiettivi scientifici saranno di gran lunga superiori a quelli della missione statunitense Juno, lanciata lo scorso anno. JUICE è attualmente allo stato di proposta ed è considerata una riformulazione del Jupiter Ganymede Orbiter, anche per recuperare alcuni degli obiettivi scientifici che competevano alla sonda statunitense, ed entro il mese di Aprile 2012 l'ESA dovrà decidere se finanziarla o meno.

Gli obiettivi scientifici

Ganimede è l'obiettivo principale della missione, intorno al quale JUICE entrerà in orbita dopo aver esplorato, di passaggio, sia Europa che Callisto. Ganimede è il più grande satellite naturale del Sistema Solare e le misure della sonda Galileo hanno rivelato che esso possiede, oltre a un campo magnetico indotto che è la principale evidenza a supporto di uno strato liquido interno, anche un campo magnetico intrinseco, caratteristica unica tra le lune del Sistema Solare finora esplorate. L'obiettivo è pertanto quello di caratterizzare completamente il satellite partendo dalla sua superficie, la cui geologia è in evoluzione, fino alla prospezione dell'interno soprattutto grazie all’esperimento di radio scienza e a un radar in grado di penetrare il sottosuolo per diversi chilometri: un radar in gran parte derivato dall’esperienza italiana in merito (vedi i radar SHARAD e MARSIS in orbita da più anni intorno a Marte). Energeticamente parlando, Ganimede non solo è soggetto ad impatti da parte di corpi esterni (asteroidi, comete), ma è attivo soprattutto grazie alle forze di marea provocate da Giove, al decadimento radioattivo di alcuni elementi chimici presenti nel suo interno profondo e a variazioni secolari del suo dipolo magnetico; tutte sorgenti indispensabili a garantire le temperature necessarie per la presenza di acqua liquida in uno strato compreso tra la crosta (più esterna) ed il mantello roccioso. La chimica di Ganimede è molto complessa con presenza di ghiaccio d'acqua in superficie mescolato a composti non ghiacciati (sali minerali idrati, volatili), una tenue atmosfera, e note interazioni della superficie con particelle del sistema gioviano deflesse dal campo magnetico intrinseco della luna. Da questo punto di vista la superficie verrà completamente mappata nel vasto intervallo di lunghezze d’onda dall’ultravioletto all’infrarosso e con risoluzioni che potranno arrivare a meno di 100 m/pixel in zone selezionate. Nello studio della geologia della luna si cercheranno le risposte relative all'evoluzione del corpo planetario, anche in merito ai fenomeni di risonanza con gli altri corpi nel sistema gioviano, per capire da quanto tempo l'interno è liquido (il tempo è un fattore essenziale per lo sviluppo della vita, insieme all'acqua ed agli elementi chimici biogenici). Per questo motivo verrà effettuata non solo una mappatura della superfici con immagini a 200 m/pixel, e fino 5 m/pixel in zone selezionate, ma anche una mappatura topografica per mezzo di un altimetro laser. La conoscenza precisa della topografia servirà non solo agli studi geologici, ma anche per una migliore interpretazione dei dati del radar di sotto-superficie.

Europa è dotata di una complessità superficiale "stravolgente", completamente coperta di ghiaccio d’acqua con evidenti fenomeni di movimento, spaccature, crepe e probabili diffusioni di acqua liquida dagli strati interni. E' anche sospetta di fenomeni di criovulcanismo, altra prova di un interno caldo e liquido, possibile ambiente ideale per certe forme di vita elementari. Le misure della sonda Galileo hanno messo in evidenza la presenza di composti chimici complessi sulla superficie, tra cui sali minerali idrati, acido solforico idrato e volatili, ma meno del 10% delle zone finora analizzate hanno una risoluzione sufficiente a distinguere composti idrati, né finora sono stati chiaramente identificati composti organici. Perciò vaste regioni del satellite verranno analizzate sia spettralmente che con immagini, mentre usando il radar di sotto-superficie, anche qui con un ruolo primario, sarà forse possibile confermare direttamente l'esistenza del'oceano sotterraneo sotto due punti della superficie che sono stati selezionati accuratamente in base alle loro caratteristiche morfologiche e composizionali. Purtroppo Europa potrà essere osservata solo durante due passaggi ravvicinati, sfruttando delle opportunità progettate nel percorso per raggiungere Ganimede. Non sarà possibile pianificare altri passaggi perché l'ambiente intorno ad Europa presenta radiazioni ben più elevate di quelle delle altre lune più esterne e una permanenza più lunga potrebbe danneggiare l'elettronica della sonda.

Callisto presenta una superficie tra le più antiche del Sistema Solare. E' dotato di una chimica superficiale complessa particolarmente ricca in CO2, la cui origine è ignota, e di una esosfera. Come per Ganimede ed Europa, tra gli obiettivi di JUICE c'è quello di verificare anche per questa luna l’eventuale esistenza di uno strato sotterraneo liquido. Callisto verrà studiato durante 12 passaggi ravvicinati, tutti effettuati ad un’altezza minima di circa 200 km, alla ricerca di composti organici e degli effetti di contaminazione dovuti da particelle e corpi provenienti dall'ambiente esterno a quello gioviano.

Giove stesso sarà soggetto ad analisi scientifiche caratterizzandolo ulteriormente, dopo quattro decadi di esplorazioni, sotto diversi aspetti. Il sistema gioviano è l'archetipo dei giganti gassosi ed un paradigma per molti corpi planetari extra solari. Per quanto riguarda l'atmosfera, tre sono le aree di interesse: la stratificazione verticale, le fasce orizzontali e l'evoluzione temporale. In tal senso JUICE, che osserverà l'intero pianeta, sarà complementare alla missione Juno (attualmente in viaggio), la quale avrà un’orbita essenzialmente diversa e una durata nominale limitata. Lo studio della magnetosfera di Giove, la più estesa dell'intero Sistema Solare, costituirà pure una parte importante della missione: grazie ai diversi sensori di JUICE ci sono grandi possibilità di analisi a distanza del complesso ambiente di radiazioni e particelle animato dall'incredibile energia emessa dal pianeta. Un tema trasversale considerato da JUICE sarà anche quello dell’origine del pianeta gigante: l'atmosfera di Giove infatti presenta abbondanze di composti “pesanti” significativamente maggiori del Sole, un fatto che può essere ricondotto alla cattura di numerosi planetesimi sia solidi che ghiacciati durante la sua formazione. Lo studio della chimica delle specie minori dell’atmosfera, unitamente allo studio comparativo dei tre satelliti galileiani ghiacciati Europa, Ganimede e Callisto, permetterà in ultima analisi di comprendere meglio la genesi della formazione del sistema gioviano.

Il piano di missione

Il lancio di JUICE è previsto per il giugno del 2022 mediante un razzo Ariane 5 (esiste un'altra opportunità per l'agosto del 2023). Il viaggio durerà circa 7 anni e mezzo, con l'assistenza gravitazionale fornita prima dalla Terra, poi da Venere e poi due volte ancora dalla Terra. La manovra di inserimento in orbita intorno a Giove, cosiddetta 'Jupiter Orbit Insertion', avverrà nel gennaio del 2030 e sarà preceduta da un primo 'fly-by' di Ganimede per un ausilio gravitazione che permetterà di risparmiare una buona quantità di propellente. Nei 200 giorni successivi alla manovra di inserimento avverranno i due 'fly-by' di Europa, i 12 di Callisto ed anche la transizione ad un'orbita con inclinazione di 30° rispetto al piano dei satelliti, per poi ritornare ad una bassa inclinazione. Terminata questa fase ci vorranno 11 mesi di pazienti correzioni orbitali per portare JUICE in orbita intorno al suo obiettivo primario, Ganimede. Nei primi 150 giorni l'orbita della sonda, quasi polare, sarà di 10000 x 200 km, per poi stabilizzarsi su una quota di 5000 km. Successivamente, l'orbita stessa verrà abbassata ad una quota di 500 km per 100 giorni ed infine a 200 km. In sostanza la sonda spenderà 3 anni all'interno del sistema gioviano, durante i quali potrà mappare Ganimede più volte da diverse quote ed effettuare passaggi ravvicinati ad Europa e Callisto.

La sonda

E' interessante notare che la sonda dovrebbe pesare, al lancio, 1900 kg, più altri 2900 kg di propellente. Questo sarà indispensabile per le numerose manovre orbitali una volta raggiunto il sistema gioviano (inclusa ovviamente la manovra di inserimento che richederà una "frenata" lunga due ore e corrispondente ad un rallentamento di 1000 m/s circa). La sonda non richiederà lo sviluppo di tecnologie particolarmente critiche e si baserà largamente sulle conoscenze ed i metodi attualmente in uso in ambito europeo. Per quanto riguarda il cosiddetto "carico utile", ovvero gli strumenti scientifici che costituiranno l'essenza della parte operativa della missione, va detto che l'Italia gioca un ruolo primario soprattutto per le tecnologie riguardanti gli spettrometri ad immagine, la radio scienza ed i radar di sottosuperficie. Per quest'ultimo in particolare possiamo ritenerci i 'leader' del settore con i due strumenti attualmente in funzione ed in orbita intorno a Marte. Essi hanno rivoluzionato la nostra comprensione del sottosuolo del pianeta rosso e stanno ancora producendo dati di grandissimo interesse scientifico.

La 'suite' di strumenti attualmente prospettata per la missione comprende 2 strumenti per la cattura di immagini (a diverso ingrandimento), 3 strumenti di tipo spettrometrico (in diverse bande da UV a IR), 3 strumenti per la misura di campi e particelle (per lo studio del plasma, dei campi magnetici e delle particelle), 1 strumento topografico (laser altimetro) e due strumenti per lo studio del sottosuolo e dell'interno del pianeta, il 'radar sounder' e un esperimento di radio scienza di alta precisione per misure gravimetriche. Va notato che lo studio degli interni dei satelliti mediante misure radar e radio scienza è di fatto la grande forza di JUICE rispetto a missioni passate, o presenti, dirette al sistema di Giove. E' però anche importante sottolineare che la correlazione tra i dati di telerilevamento della superficie, effettuati con metodi "classici" (immagini, spettri, ecc.), con i radargrammi del radar di sotto-superficie, potrà essere decisivo per identificare le zone in cui lo scambio di materiale tra interno e superficie stessa è stato più intenso. Si tratta insomma di un insieme di strumenti estremamente completo e interagente, e tutti derivanti da esperienze passate e con un buon supporto da parte della comunità scientifica, come d'altra parte la notevole affluenza al 'workshop' ha dimostrato.

Vogliamo, possiamo, dobbiamo

Non ci sono dubbi che la missione JUICE costituisca una delle più interessanti avventure proposte all'Agenzia Spaziale Europea. E' un'avventura di ampio respiro, che richiederà quasi 10 anni di sviluppo e altri 10 di gestione, tra fase di crociera e fase operativa. E' una missione che non solo incrementerà incredibilmente le nostre conoscenze del sistema gioviano e di tre delle sue lune principali, ma che ci permetterà di capire meglio l'evoluzione dei giganti gassosi e dei corpi planetari ad essi associati. E’ una missione fortemente interdisciplinare, poiché combina realtà scientifiche internazionali diverse che vanno dalla geologia alla geofisica alla chimica alla fisica dell’atmosfera nonché ai plasmi e particelle: assai raramente una singola missione spaziale riesce a legare così tante comunità. E' una missione scientifica che indubbiamente aprirà una nuova frontiera per la ricerca della vita al di fuori della Terra e che dunque servirà a decidere dove tentare una atterraggio per un'analisi in-situ per dare una svolta ad uno dei quesiti più importanti per l'umanità. Ed è anche una missione che dovrebbe dare all'Agenzia Spaziale Europea un’ulteriore prova di quella 'leadership' nel settore spaziale che l'hanno vista da anni protagonista di tante missioni, tutte difficili, tutte di successo e tutte al primo tentativo.

I motivi per volere questa missione sono fin troppo chiari ed esaurienti. Non ci sono motivi tecnici di ostacolo alla sua realizzazione perciò possiamo sicuramente realizzarla. Si tratta ora solo di decidere di doverla fare.

Sostenete JUICE - Un modo per dare supporto alla missione, in questi giorni decisivi, è anche atraverso il ‘guestbook’ messo a disposizione dall’INAF. L’indirizzo è: http://www.ifsi-roma.inaf.it/juice/?page_id=193

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