Il 25 gennaio si รจ riunito per la 175esima volta il Science Programme Committee o SCP, il corpo dell’Agenzia Spaziale Europeaย costituito nel 1975 con lo scopo di vagliare i progetti che l’ESA, fondata il 30 maggio dello stesso anno, avrebbe perseguito.
Questa recente riunione ha visto due missioni passare nello stato diย adopted. Significa che, dopo alcuni anni di valutazioni sulla loro fattibilitร e il valore scientifico, l’ESA riconosce la qualitร del progetto e dร il via libera per proseguire la costruzione degli strumenti e del veicolo spaziale.
Le due missioni approvate sonoย EnVision e LISA.
La prima รจ progettata per studiare Venere e la seconda รจ un triploย osservatorioย per rilevare le onde gravitazionali. Vediamo le due sonde un po’ nel dettaglio.
EnVision
La sonda EnVision, a guida ESA ma con significativi contribuiti da parte della NASA, sarร la prima missione di esplorazione di Venere che indagherร il pianeta dal nucleo sino all’atmosfera. L’obiettivo รจ aggiungere elementi per comprendere la natura del vicino della Terra e perchรฉ, nonostante le grandi similitudini fisiche come dimensioni, composizione e distanza dal Sole, i due pianeti siano cosรฌ diversi tra loro. EnVision รจ la quinta sonda del piano decennale (2015-2025)ย Cosmic Vision istituito dall’ESA.
In un certo momento della storia del sistema solare, l’evoluzione della Terra e di Venere hanno iniziato a divergere drammaticamente. Attualmenteย lo bel pianeto, come fu appellato nel Purgatorio dantesco, รจ decisamente troppo caldo per trattenere acqua allo stato liquido sulla sua superficie, ma si pensa che prima di innescare un effetto serra fuori controllo abbia avuto un clima non troppo diverso da quello terrestre. Analizzare Venere offre quindi un ottimo laboratorio per comprendere l’evoluzione dell’abitabilitร sui mondi rocciosi del sistema solare.
Tra gli strumenti a disposizione di EnVision spicca una coppia di radar.ย Il primo sarร il Subsurface Sounding Radar (SRS), fornito dall’Agenzia Spaziale Italiana,ย che penetrerร nei primi chilometri del sottosuolo cercando stratificazioni sotterranee e i confini sepolti delle placche tettoniche.
Il secondo strumentoย รจ VenSAR, un radar ad apertura sintetica fornito dalla NASA che mapperร la superficie di Venere utilizzando diverse modalitร , tra cui l’imaging a risoluzioni spaziali comprese tra 10 e 30 metri, altimetria, polarimetria e radiometria. VenSAR produrrร immagini 10 volte piรน dettagliate di quelle catturate dalla sonda Magellan che esplorรฒ Venere nella prima metร del decennio ’90.
La sonda integrerร poiย tre spettrometri (VenSpec-U, VenSpec-H e VenSpec-M) operanti nell’ultravioletto e nell’infrarosso i quali cercheranno tracce di gas, inclusi pennacchi vulcanici, sopra e sotto le nuvole, mappando inoltre la composizione della superficie. I tre spettrometri sono forniti rispettivamente da DLR, BelSPO e CNES.
Sarร inoltre presente un esperimento radioย per mappare il campo gravitazionale del pianeta e misurare le proprietร atmosferiche.
Con partenza prevista nel 2031 a bordo di un razzo Ariane 6, EnVision non sarร sola nei suoi anni di esplorazione in quanto la NASA punta a lanciare, tra il 2028 e il 2030, ben due missioni verso Venere. Si tratta diย DAVINCI+ (Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging) eย VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy).
Insieme, le tre sonde indagheranno aspetti diversi del pianeta e ci forniranno la piรน approfondita conoscenza del gemello della Terraย che abbiamo mai avuto.
LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
ร da svariati anni che gli astronomi hanno a disposizione strumenti per la rilevazione delle onde gravitazionali. Gli apparati impiegati sono dei sofisticati interferometri, dispositivi basati sull’uso di laser in grado di rilevare variazioni spaziali nell’ordine di miliardesimi di miliardesimi di millimetro (vale a dire dimensioni tre ordini di grandezza inferiori rispetto alย raggio del protone).
Tra gli osservatori attualmente operativi ce n’รจ anche uno in Italia, a Cascina in provincia di Pisa, chiamato VIRGO. Osservatori cosiddetti di seconda generazione come VIRGO, la coppia LIGO negli USA e il giapponese KAGRA lavorano per mezzo di due tunnel orientati a 90ยฐ l’uno con l’altro e lunghi circa 3 km. Gli interferometriย funzionano, come il nome suggerisce, tramite l’analisi dell’interferenza o interazione tra i fasci laser che percorrono i due tunnel.
Quando enormi masse orbitano tra loro a velocitร relativisticheย generano un disturbo che si propaga nel tessuto dello spazio-tempo tramite onde gravitazionali. Tale disturbo viaggia per distanze cosmiche e quando arriva sulla Terra interagisce con i due bracci dell’interferometro in modo differente in base alla direzione di propagazione, stirando e comprimendo un tunnel piรน dell’altro. Questo variazione fisica del percorso del laser,ย infinitesima ma prevista dalla relativitร ย e, come detto, nell’ordine dei 10^-18 metri, disturba la precisissima interazione tra i fronti d’onda del laser modificando la loro interferenza e dando luogo alla rilevazione dello sfuggente fenomeno fisico delle onde gravitazionali.
Figura 1: Uno splitter di fasci (linea verde) divide la luce coerente (dalla scatola bianca) in due fasci che si riflettono sugli specchi (oggetti oblungi ciano); viene mostrato solo un fascio uscente e riflessi in ciascun braccio, separato per chiarezza. I fasci riflessi si ricombinano e si rileva un modello di interferenza (cerchio viola).
Figura 2: Un’onda gravitazionale che attraversa il braccio sinistro (giallo) ne modifica la lunghezza e, di conseguenza, il modello di interferenza. Crediti: Cmglee
Ma gli interferometri terrestri hanno una limitazione: la loro dimensione condiziona direttamente il periodo delle onde che possono misurare.ย VIRGO e compagni possono “percepire” solo onde gravitazionali con lunghezza comparabile alla dimensione dei loro bracci, ovvero circa nell’ordine del km.
Lo studio dell’elettromagnetismo ci insegna che la lunghezza d’onda รจ inversamente proporzionale al periodo e direttamente proporzionale alla velocitร di propagazione ( ฮป = v/f ).
Nota la velocitร di propagazione dell’interazione gravitazionale (pari alla velocitร della luce) questo ci porta a comprendere che gli attuali interferometri terrestri sonoย sordiย a onde gravitazionali con frequenza inferiore a un Hz le quali hanno lunghezze d’onda (la distanza tra due fronti consecutivi) superiori ai 3 km. Attualmente ci stiamo perdendo fenomeni a bassa frequenza quali l’unione di corpi straordinariamente massivi come leย nane bianche o interazioni che coinvolgono buchi neri supermassici.
ร come cercare di misurare l’altezza di una montagna con un righello, non si puรฒ fare.
La soluzione รจ dotarsi di uno strumento di misura, ovvero di bracci, molto piรน lunghi: qualche milione di km, ed รจ qui che nasce l’idea della missione LISA.
LISA non รจ un singolo veicolo spaziale, ma una costellazione di tre. Seguiranno la Terra nella sua orbita intorno al Sole, formando un triangolo equilatero estremamente preciso nello spazio. Ciascun lato del triangolo avrร una lunghezza di 2,5 milioni di km (piรน di sei volte la distanza Terra-Luna), e i veicoli spaziali si scambieranno fasci laser su questa distanza
All’interno di ciascun veicolo spaziale si trovano due cubi dorati in sospensione libera, denominati masse di prova (test-masses).
Quando un’onda gravitazionale transita, le distanze tra le masse di prova si contraggono ed espandono modificando anche le distanze percorse dai fasci laser nell’ordine di pochi miliardesimi di metro. ร cosรฌ che LISA sarร in grado di rilevare le onde gravitazionali e di determinare la loro provenienza.
La missione LISA sarร costruita sulle basi diย LISA Pathfinderย che nel 2015 ha dimostrato che le masse di prova possono essere mantenute in moto in uno stato in cui sono soggette solo alla gravitร :ย le test-mass non toccano il veicolo spaziale, fluttuano al suo interno. Ciascun satellite ha il compito importante di assicurarsi che nulla, oltre alla geometria dello spazio-tempo stesso, influisca sulle masse in caduta libera.
La missione sarร progettata per catturare le previste vibrazioniย gravitazionali dei momenti iniziali del nostro Universo e offrire una visione diretta dei primissimi secondi dopo il Big Bang. Inoltre, poichรฉ le onde gravitazionali recano con sรฉ portano informazioni sulla distanza degli oggetti che le hanno emesse, LISA aiuterร i ricercatori a misurare la variazione dell’espansione dell’Universo con un diverso tipo di riferimento rispetto alle tecniche utilizzate da Euclid e altri rilevatori, convalidando i loro risultati.
Piรน vicino a noi, nella nostra galassia, LISA rileverร molte coppie di oggetti compatti in fusione offrendoci una visione unica delle fasi finali dell’evoluzione di nane bianche e stelle di neutroni. Individuando la loro posizione e distanza, LISA approfondirร la nostra comprensione della struttura della Via Lattea, ampliando le scoperte della missione Gaia dell’ESA.
L’inizio della costruzione dei tre satelliti che costituiranno LISA รจ prevista nel gennaio del 2025 quando sarร stato scelto un appaltatore industriale europeo.
Appuntamento con il lancio dei tre veicoli spaziali nel 2035, ancora una volta a bordo di un razzo Ariane 6.
Fonti:
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/We_re_heading_for_Venus_ESA_approves_EnVision
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Capturing_the_ripples_of_spacetime_LISA_gets_go-ahead
https://www.nasa.gov/news-release/nasa-selects-2-missions-to-study-lost-habitable-world-of-venus/