Above the Cloud: Conto alla rovescia per l'arrivo "su" Plutone

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Conto alla rovescia per l'arrivo "su" Plutone

Il 14 luglio 2015 la sonda New Horizons dovrebbe agganciare l'orbita di Plutone, iniziando così la fase analitica di una missione iniziata quasi 10 anni fa in un contesto diverso.
Quando la sonda venne lanciata nel lontano 2006, Plutone era infatti ancora un pianeta a tutti gli effetti. Oggi alcune cose sono cambiate, tra cui spicca la retrocessione di Plutone a pianeta nano; una scelta condivisa dalla quasi totalità della comunità scientifica per alcune delle sue caratteristiche "strutturali" che altrimenti avrebbero aperto la strada a considerare ugualmente pianeti altri oggetti più simili a maxi-asteroidi posti nelle zone più esterne del sistema solare.

Un pianeta nano è un oggetto celeste in orbita diretta attorno ad una stella, con massa sufficiente per essere in equilibrio idrostatico rispetto alla propria gravità (in grado quindi di assumere una forma sferoidale) ma che non è stato in grado (massa insufficiente) di ripulire la propria orbita dai detriti (--> Dominanza Orbitale).

Fino ad ora, tutto quello che sapevamo di Plutone veniva da immagini sfocate ottenute con il telescopio spaziale Hubble o da osservazioni terrestri, la migliore delle quali aveva una dimensione di 5 pixel in orizzontale. Per avere una idea della scarsità di informazioni disponibili, se immaginassimo di pixellare la Terra alla stessa risoluzione non si riuscirebbe a capire se esistono oceani e continenti. Paradossalmente è più semplice ricavare informazioni sugli esopianeti (pianeti di sistemi posti a decine di anni luce dalla Terra), ad esempio presenza e caratteristiche dell'atmosfera, grazie alle misurazioni gravitazionali, spettrometriche e di velocità di transito ottenibili dal loro passaggio "di fronte" alla stella. Tutti dati impossibili da ottenere nel caso di un pianeta nel nostro sistema posto in un orbita esterna alla nostra.

La missione New Horizons ci fornirà molti dei tasselli mancanti per capire non solo le caratteristiche di questo pianeta ma anche quella di oggetti presenti nella Fascia di Kuiper sia da un punto di vista fisico che nell'ambito dell'evoluzione del sistema solare.

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Iniziamo con le caratteristiche base di Plutone:

Plutone è stato identificato nel 1930 e fino all'agosto 2006 era considerato in tutto un pianeta. Per decisione della Unione Astronomica Internazionale venne retrocesso al rango di pianeta nano.

Dal confronto di foto come queste si scoprì un corpo in movimento, Plutone

Il pianeta (come avvenuto in precedenza per Nettuno) era stato "previsto", nel senso che "doveva" esistere un pianeta - molto grosso - per spiegare alcune incongruenze orbitali di Nettuno. L'errata previsione dimensione (spiegabile a posteriori con la scoperta della esistenza della Fascia di Kuiper) è un classico esempio di come la scienza sbaglia quando vuole trovare qualcosa e associa a quel qualcosa caratteristiche che non ha (vedi di seguito il titolo in prima pagina del New York Times relativo alla scoperta di un pianeta gigante addirittura più grande di Giove)

L'articolo del NYT che riporta la scoperta ... "ingigantita"

A differenza degli altri pianeti esterni Plutone è infatti roccioso e piccolo, anche per gli standard dei pianeti rocciosi. Con un diametro di 2322 chilometri, è circa un sesto delle dimensioni della Terra.

Comparazione dimensionale dei pianeti rocciosi e di alcuni satelliti. I pianeti giganti come Giove sono stati deliberatamente non inseriti (vedi QUI per un paragone). Credit: clarkplanetarium.org

Qui si capisce meglio perché Plutone più che un pianeta è planetoide, membro della famiglia KBO Kuiper Belt Object)

Plutone poco più piccolo di Eris ma nettamente più piccolo della Luna

Come apparirebbero Plutone e Caronte messi vicino alla Terra (©NASA)

Come Urano ruota "su un lato". Al momento il suo polo nord (quindi il suo asse di rotazione) è rivolto verso il Sole.
Un anno plutoniano, tempo di orbita intorno al Sole, equivale a 248 anni terrestri.
La sua orbita è molto più allungata ed inclinata rispetto a quella degli altri pianeti. Una orbita talmente ellittica che tra il 1979 e il 1999 il pianeta era più vicino al Sole di Nettuno.

L'orbita ellittica di Plutone(freccia) che interseca quella di Nettuno. Tutti gli altri punti sono gli oggetti di dimensioni a volte piccoli e altre non molto minori di Plutone, scoperti negli ultimi decenni.

La temperatura media alla sua superficie è di -230 gradi Celsius, sufficientemente bassa perché d'inverno la sua sottile atmosfera fatta di azoto, metano e biossido di carbonio congeli.
Ha cinque lune note, la più grande delle quali è Caronte, poco più grande della Francia. Data la dimensione di questo satellite sarebbe meglio parlare di un sistema binario Plutone-Caronte più che del solo Plutone. La peculiarità di questi satelliti è che a differenza delle classiche lune, non ruotano attorno al pianeta ma invece orbitano attorno ad un comune centro di gravità. Le teorie correnti ritengono che Caronte si sia formato in seguito ad un gigantesco impatto nelle prime fasi di vita della storia di Plutone (da qui il suo particolare asse di rotazione). Le altre quattro lune note sono molto più piccole e verosimilmente, data anche la loro struttura irregolare, sono i detriti derivati dalla stessa collisione.

Ci sono altre lune oltre alle cinque note? (credit: NASA)

Di seguito una ricostruzione al computer della irregolare forma e rotazione di Notte (Nix) e Idra: 4 anni di misurazioni condensate in due minuti.
--> space.com

In giallo l'orbita di Plutone. All'esterno è visibila la Fascia di Kuiper

L'immagine sopra mostra un altro dettaglio interessante che contraddistingue Plutone, cioè il suo asse orbitale alquanto "angolato" rispetto agli altri pianeti del sistema solare. Una differenza osservabile nella animazione qui sotto

Credit: to Lookangmany (via wikimedia)

Salvo imprevisti o deviazioni dell'ultimo minuto (vedi sotto) la sonda New Horizons coronerà una annata densa di successi nel campo spaziale se consideriamo l'arrivo di Dawn su Ceres (link) e "l'accometaggio" di Philae nell'ambito della Missione Rosetta (link). Tutte pietre miliari delle capacità tecnologiche raggiunte nell'ambito della collaborazione NASA e ESA.

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Il conto alla rovescia per l'incontro con Plutone è iniziato ufficialmente alla fine di aprile 2015 non perché sia cambiato qualcosa nei piani di volo o nella data fissata per l'entrata in orbita (il 14 luglio 2015) ma per l'arrivo delle prime immagini scattate dalla sonda nella sua corsa verso il pianeta.

Le immagini, scattate tra il 27 aprile e il 1 maggio, sono state processate al computer al fine di rimuovere sia il bagliore di fondo delle stelle che la luce riflessa da Plutone e Caronte. L'animazione ottenuta unendo immagini prese a tempi diversi permette di osservare l'orbita dei satelliti di Plutone (credit: NASA)

Le immagini all'inizio a bassa risoluzione hanno visto un netto miglioramento, anche solo a distanza di giorni, mano a mano che il processo di avvicinamento proseguiva. Una risoluzione che lascia perplessi, abituati come siamo alle immagini ad alta risoluzione che da anni ci fornisce Hubble, ma che ha ragioni pratiche e facilmente comprensibili. In primis vi è la distanza tra la sonda e la Terra (pari a circa 30 volte la distanza Terra-Sole, poco meno di 5 ore luce) a cui si aggiunge la limitatezza dell'apparato di trasmissione a bordo che permette di inviare al massimo 1 kilobit per secondo. In queste condizioni il segnale trasmesso può essere captato solo grazie alle antenne da 70 metri che fanno parte del Deep Space Network (fonte). La limitatezza dell'apparato di trasmissione è a sua volta riconducibile sia all'anno di costruzione (prima del 2006) che delle restrizioni energetiche: la sonda non ha a disposizione fonti energetiche illimitate o ingenti, e come noi ben sappiamo inviare una banalissima foto nel cloud con il nostro smartphone consuma la batteria. Immaginate quindi l'energia che avrebbe dovuto essere allocata per inviare moltissime foto in HD a ... 4,6 ore luce di distanza.

In 4 giorni la sonda ha percorso quasi 3 milioni di miglia (4,8 milioni di chilometri). Alla velocità di avvicinamento attuale, entro la fine di giugno, la risoluzione delle immagini sarà circa quattro volte superiore rispetto a quella delle immagine realizzate intorno al 10 maggio. Nel momento di massima prossimità, la risoluzione sarà 5 mila volte superiore all'attuale.

Sebbene ancora poco chiare, le foto sembrano indicare che la calotta polare, altamente riflettente, è costituita da un qualche tipo di ghiaccio, ben difficilmente (per le temperature e caratteristiche del pianeta) fatto di acqua. Verosimilmente si tratta di azoto, monossido di carbonio e metano ghiacciati che durante l'anno sublimano, riempiendo così la tenue atmosfera, per poi ri-precipitare al suolo durante il successivo inverno.
La superficie appare una alternanza di macchie chiare e scure, ciascuna delle quali corrispondente a centinaia di chilometri. Se questa alternanza sia dovuta a caratteristiche geologiche, topografiche o alla composizione è molto difficile dirlo ora.

Nell'ultimo mese che ci separa all'obiettivo, gli scienziati della NASA avranno di che preoccuparsi data la estrema pericolosità di questa fase. Una delle caratteristiche dei pianeti nani è, come scritto sopra, il non avere "ripulito" la propria orbita dei tanti detriti presenti nell'anello di polvere del proto-sistema solare, i mattoni su cui i pianeti veri e propri sono sorti. La traiettoria della sonda è stata pensata per transitare nei pressi di Caronte per poi essere agevolmente catturata nell'orbita di Plutone. Il problema è che alla velocità di 48 mila chilometri all'ora, è sufficiente una particella di polvere delle dimensioni di un chicco di riso per causare danni fatali. Non parliamo quindi delle soprese che potrebbe riservare lo scoprire la presenza di una luna sconosciuta nell'orbita interna di Plutone.
Per ridurre al minimo il rischio di incappare in alcuna di queste "trappole", gli scienziati hanno preventivato tra l'11 maggio e il 1 luglio, sette sessioni di osservazione, ciascuno della durata di 45 minuti. In queste fasi il Long Range Reconnaissance Imager, uno zoom gigante con una apertura 20,8 centimetri, eseguirà la scansione dello spazio intorno a Plutone e alle sue cinque lune conosciute, alla ricerca di asteroidi.
Se dall'analisi emergesse un potenziale pericolo, si potrebbe procedere a modificare la traiettoria della sonda; sebbene ciò verosimilmente causerebbe la rinuncia ad alcune delle osservazioni previste, non attivare queste procedure equivarrebbe alla perdita della sonda. Anche così le procedure sono tutt'altro che semplici dato che il segnale Terra-Plutone necessita di almeno 4,6 ore per giungere a destinazione (se a questo sommiamo l'arrivo dei dati, la loro elaborazione, la scoperta del problema e il comando di cambio traiettoria è evidente che i margini di manovra sono risicati).

Le probabilità che la sonda sia colpita "nel modo sbagliato" da un detrito non rilevabile dai sensori?
Circa 1 su 10 mila. L'unico modo per evitare il problema sarebbe di stare alla larga da Plutone.
Le procedure di emergenza (e le traiettorie) sono stati già programmati (vedi la figura sottostante) e vanno dalla semplice rotazione della sonda in modo che la parte più resistente faccia le veci di uno schermo (senza variare la traiettoria), alla scelta di un percorso che porti la sonda molto più vicino al pianeta (sperando che non ci sia una luna sconosciuta nell'orbita interna) fino all'estrema ratio di scegliere un percorso più lontano dal pianeta.

La traiettoria di avvicinamento prevista (rosso) e quelle alternative (giallo).

Source: NASA/JHU Appl. Phys. Lab./Southwest Res. Inst.

Ogni scelta implicherà un certo consumo di carburante il che potrebbe mettere a rischio il proseguimento della missione, finita la visita intorno Plutone, verso un secondo planetoide ancora non definito posto nella Fascia di Kuiper.

Le ultime notizie (4 giugno) sono rassicuranti. Secondo quanto riportato dal sito "cosmo.com" sempre ben informato dei dati della NASA, la dinamica orbitale dei satelliti non è tale da porre la sonda a rischio di collisione.

Qui un video riassuntivo della missione