New Horizons osserva da lontano il mezzo interstellare

Ricostruzione artistica della sonda New Horizons. Credit: NASA.

A gennaio del 2006 partì New Horizons, la prima navicella spaziale destinata a incontrare l’ultimo pianeta ancora mai visitato da una sonda robotica: Plutone. Durante il suo lunghissimo viaggio la stessa definizione di pianeta venne riconsiderata dall’Unione Astronomica Internazionale e Plutone venne declassato a pianeta nano. L’importanza scientifica della missione però non subì nessun impatto e a luglio del 2015 riuscì a raggiungere tutti i principali obiettivi prefissati, sorvolando il pianeta (ormai) nano, scattando foto e facendo rilevamenti con diversi strumenti, tra cui anche SWAP, acronimo di Solar Wind Around Pluto, che ha rilevato appunto le particelle cariche attorno a Plutone.

New Horizons ha sfrecciato ad altissima velocità accanto al gelido corpo celeste, a circa 50.000 km/h; poiché sarebbe stato impossibile portare carburante a sufficienza per rallentare ed entrare in orbita, la sonda ha continuato ad allontanarsi in attesa di un eventuale nuovo compito da svolgere. Nel 2019 ha festeggiato Capodanno sorvolando un altro oggetto della fascia di Kuiper (KBO), Arrokoth, la cui esistenza era stata scoperta solo nel 2014, ben dopo la partenza della sonda da Terra. Da allora viaggia in attesa che da Terra scoprano un altro oggetto sulla sua strada per giustificare i costi di mantenimento della missione, che si aggirano circa sui 10 milioni l’anno – altrimenti la missione potrebbe terminare già l’anno prossimo.

Immagine visibile solo con occhiali 3D rosso-blu. Anaglifo generato dalle due immagini di Wolf 359 riprese da due punti diversi del sistema solare. Credit: NASA/Enrico Richetti

Ma mentre attende pazientemente, New Horizons non se ne sta con le mani in mano e i suoi strumenti vengono spremuti per ricavare il massimo possibile di scienza; dopotutto è la terza sonda operativa più lontana in assoluto e può darci una visione dei dintorni del Sistema solare che da Terra non possiamo ottenere. Ad esempio ad aprile 2020 ha catturato un’immagine di due stelle, Proxima Centauri e Wolf 359, in contemporanea ai telescopi da Terra, fornendo così per la prima volta una visione di una stella da due punti abbastanza lontani, permettendo di ricostruire una visione tridimensionale.

Oltre a questo la sonda può fornirci indizi sullo spazio interstellare senza ancora esserci entrata. In teoria non ci è ancora nemmeno vicina, visto che ancora si trova abbondantemente all’interno dell’eliosfera, la zona di influenza elettromagnetica del Sole che convenzionalmente delimita il sistema solare. Ed è proprio la natura delle interazioni che avvengono tra le particelle, interne ed esterne al nostro sistema, a favorire le misure effettuate da New Horizons.

Lo spazio non è vuoto, e il Sole, con tutti i corpi celesti che gli ruotano intorno, si muove nella Via Lattea a una velocità relativa al centro della galassia di poco inferiore al milione di chilometri orari (828.000 km/h o 230.000 m/s per usare un’unità di misura del Sistema Internazionale). Quando gli atomi neutri del mezzo interstellare incontrano il vento o la radiazione solare, è possibile che un elettrone venga strappato via e proseguano come ioni (vengono chiamati pickup ion). In questo caso possono essere rilevati da SWAP, lo strumento di New Horizons progettato per misurare gli ioni attorno a Plutone.

Ricostruzione artistica delle 2 Voyager al di fuori dell’eliosfera. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Questo è il metodo di lettura della sonda, che permette di dare una stima della densità del mezzo interstellare dall’interno del sistema solare. I pickup ion provenienti dall’esterno sono facilmente distinguibili dagli ioni generati dal vento solare per via delle differenti energie in gioco. La stima effettuata con questo metodo porta a un valore della densità del mezzo interstellare di 0,127 particelle per centimetro cubo. Giusto per avere un’idea di quanto poco sia, basta considerare che a decine di metri dalla superficie lunare la densità è di 10.000 molecole di gas per centimetro cubo, ed è considerato vuoto spinto.

La misura è stata fatta da meno di 50 au, unità astronomiche, dal Sole; considerando che l’eliopausa, il bordo dell’eliosfera, si trova a circa 120 au, l’operazione è stata effettuata davvero da molto lontano. Le sonde Voyager non hanno tali strumenti e non hanno potuto misurare i pickup ion quando erano all’interno dell’eliosfera, e tutte le altre sonde robotiche attive sono all’interno dell’orbita di Giove, per altro spesso troppo vicino a pianeti che rendono impossibile la misurazione. Questo tipo di esperimento è stato possibile unicamente grazie a New Horizons.

In realtà si erano già fatte delle stime in passato sulla densità del mezzo interstellare; la prima stima ricalca quanto eseguito da New Horizons. Un esperimento simile, infatti, si tentò con la sonda Ulysses, che orbitando in un piano quasi ortogonale all’eclittica a 5,4 au dal Sole si teneva abbastanza lontano dalle interferenze dei corpi celesti. La distanza è però comunque un’ordine di grandezza inferiore rispetto a New Horizons, e la misura era quindi affetta da errori maggiori. La stima che si fece a quei tempi era di 0,087 atomi di idrogeno per centimetro cubo, quantitativamente distante dal valore misurato recentemente.

Annuncio della scoperta da parte di Alan Stern, Principal Investigator di New Horizons.

Un’altra stima venne fatta grazie a Voyager 2 con una misurazione più indiretta, vista la carenza di strumenti scientifici idonei a bordo, che però sorprendentemente portò allo stesso valore trovato da New Horizons. Voyager 2 ha misurato di quanto rallenta il vento solare a causa dell’incontro con altre particelle al di fuori del sistema solare; la misura è stata fatta circa 20 anni fa, quando si trovava più o meno alla stessa distanza di dove è ora New Horizons.

Stime passate e presenti a parte, questa è stata in assoluto la prima volta che si è riusciti a misurare i pickup ion a più di 40 au di distanza dal Sole, e questo è un fatto molto importante. Il mezzo interstellare è lontano, il fatto che già ci siano due sonde attive a esplorarlo in situ non vuol dire che ce ne saranno delle altre in un futuro prossimo. New Horizons ha già superato gli obiettivi per il quale aveva ottenuto il finanziamento e, oltre a lottare con il freddo e la desolazione del vuoto dello spazio profondo, deve superare ogni anno prove ben più noiose e difficili riguardanti il finanziamento dell’ulteriore estensione della sua missione, che al momento dovrebbe terminare il 30 aprile 2021.

Se anche la missione dovesse proseguire per altri anni, come al momento sembra probabile, non raggiungerà mai le sonde Voyager e soprattutto non è detto che riuscirà a comunicare dati utili dallo spazio interstellare così come hanno fatto le altre due sonde prima di lei. Prima di tutto le Voyager viaggiano a una velocità decisamente maggiore, avvantaggiate dai multipli assist gravitazionali dei pianeti esterni del sistema solare, mentre New Horizons, pur essendo la sonda che ha lasciato la Terra con la maggior velocità rispetto a tutte le sonde automatiche, ha seguito una traiettoria più semplice con solo un incontro intermedio con Giove. Secondo, la potenza elettrica a bordo al momento del lancio per la sonda per Plutone era la metà di quella delle Voyager, a causa della minor quantità di plutonio 238 caricata a bordo per gli RTG, i generatori termoelettrici a radioisotopi, il che comporterà inesorabilmente una durata di missione minore anche se dovesse essere estesa.

Ambizioni di esplorazione oltre il sistema solare. Credit: Charles Carter/Keck Institute for Space Studies.

New Horizons raggiungerà le 100 au nel 2038 e non avrà probabilmente potenza a sufficienza per mantenere attive sia le comunicazioni sia almeno uno strumento scientifico. Semmai si riuscisse a utilizzare ancora la sonda, si dovranno utilizzare gli strumenti in modo intermittente. Inoltre, a quella distanza sarà ancora all’interno del sistema solare, mancherà infatti ancora qualche unità astronomica da percorrere per raggiungere l’eliopausa.

Per i prossimi 20 anni per conoscere meglio il mezzo interstellare non resta quindi che affidarsi alle sonde Voyager e alle misure indirette dall’interno del sistema solare. Col miglioramento delle tecnologie molte misure indirette possono essere fatte dalla prossimità della Terra, senza andare lontano. Come sta facendo ad esempio IBEX, dall’orbita terrestre, una missione che tenta di studiare i confini dell’eliosfera comodamente da casa, analizzando in qualche modo l’eco di ritorno del vento solare, o come farà tra qualche anno la missione IMAP, in una modalità abbastanza simile.

Riuscire a mandare un’altra sonda fuori dal sistema solare sarebbe indubbiamente di grande ritorno scientifico, ma richiederebbe anche finanziamenti elevati e un impiego di risorse molto prolungato nel tempo. Non c’è al momento nessuna missione finanziata a tale scopo, anche se ci sono numerosi studi sulla fattibilità e sul ritorno scientifico di imprese di questa portata. È d’uopo citarne due in fase di studio avanzata, uno statunitense e l’altro cinese: si tratta di Interstellar Probe e di Interstellar Heliosphere Probes (IHP). Si tratterebbe di missioni che per la prima volta in assoluto avrebbero come obiettivo primario lo studio in loco dello spazio interstellare, traguardo che realisticamente non potranno raggiungere prima del 2050 anche se si iniziasse da subito a costruire le sonde, ma che senza dubbio sposterebbe ulteriormente in avanti la frontiera della conoscenza del sistema solare.

Intervista al Dr. Kirby Runyon, Principal Investigator di Interstellar Probe.

Fonte: NASA.

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Gianmarco Vespia

La scienza è importante. Ne ho fatto parte tanti anni fa, ma ho dovuto abbandonare la carriera. In Italia manca il supporto agli scienziati, in molti modi: sostegno, fiducia, credibilità, rispetto e finanziamenti. ISAA mi ha dato la possibilità di diventare divulgatore e di raggiungere un pubblico interessato e appassionato in questo piccolo settore che è l'astronautica. La scienza si muove troppo in silenzio, occorre pazienza e attenzione per capirla e apprezzarla, per spiegarla alle nuove generazioni, appassionarle e permettergli di costruire un futuro migliore per sé e per il mondo intero.