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Missione Rosetta
Alcune Analisi Importanti
di Bonaccini Davide, Gonnelli Samuele
Reni Caterina e Guidelli Sofia 5D
Gli interrogativi dell’uomo sul come sia nata la vita sulla Terra e le ultime scoperte scientifiche
hanno fatto pensare che questa sia stata portata dallo spazio profondo, in particolare da corpi
celesti come asteroidi e comete. Questi aggregati di ghiaccio e roccia potrebbero trasportare
molecole organiche come gli acidi carbossilici e idrocarburi, come l’etano, che sono alla base degli
amminoacidi, a loro volta le unità costituenti delle proteine, che a suo tempo avrebbero fatto
scaturire la prima scintilla vitale. Proprio il fatto di essere corpi in cui sono presenti ghiacci di
elementi volatili come metanolo o monossido di carbonio, che solidificano solo a basse
temperature, permette la formazione di queste molecole. In quest’ottica è stata organizzata
dall’ESA (European Space Agency) la missione “Rosetta” per studiare meglio questi elementi
primordiali del nostro sistema solare analizzando la cometa periodica 67P/ChuryumovGerasimenko, dando modo di conoscere più approfonditamente questi corpi. La spedizione,
partita nel 2004, si compone di due elementi: la sonda vera e propria Rosetta e il lander Philae, un
pacchetto di strumentazioni volto a caratterizzare il nucleo, determinare le componenti chimiche e
studiare le attività della cometa e i tempi di sviluppo. Rosetta doveva entrare in un'orbita tale da
farle assumere una velocità molto lenta intorno alla cometa e progressivamente rallentare fino ad
arrestarsi in modo da prepararsi alla discesa del lander. Appena raggiunta la superficie, il 12
novembre 2014, un sistema di arpioni avrebbe dovuto ancorarlo alla superficie in modo da
impedirgli di rimbalzare nello spazio. Durante l'operazione di aggancio, un piccolo motore a gas
compresso posizionato sulla testa della sonda avrebbe dovuto spingerla verso il corpo celeste,
mantenendola in posizione e impedendo eventuali rimbalzi, ma un malfunzionamento del motore
ne ha reso impossibile l'utilizzo; dopo il secondo touchdown il lander è atterrato in una posizione
tale da ricevere solo 90 minuti di luce ogni dodici ore, per questo il lander è stato messo in
standby. La batteria di cui Philae era dotato gli ha permesso di effettuare alcune rilevazioni prima
di essere spento in attesa di una maggiore illuminazione che permetta di ricaricarsi attraverso l’
uso dei pannelli solari. Altri analisi sono state effettuare dalla sonda in orbita intorno alla cometa
come quelle di RSI (Radio Science Investigation) oppure COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass
Analyser).
RSI
Il Radio Science Investigation (RSI) è un esperimento che fa uso del sistema di comunicazione
utilizzato dalla sonda Rosetta per comunicare con la stazione di terra. Per le indagini si possono
usare onde radio sia unidirezionali che bidirezionali. Nel caso di onda unidirezionale, un segnale
generato da un oscillatore ultra stabile sulla navicella viene ricevuto sulla Terra per le analisi. Nel
secondo caso, un segnale trasmesso dalla stazione di terra arriva alla sonda che lo invia
nuovamente sulla Terra. In entrambi i casi, il trasferimento dati può essere eseguito o in banda X o
sia in banda X che in banda S: queste sono due diversi intervalli di frequenza delle microonde,
rispettivamente tra 7 e 12,5 GHz e tra 2 e 4 GHz. La banda S è sfruttata per le comunicazioni
tramite radar
RSI indagherà frequenze d’onda con e senza dispersione, la potenza del segnale e la polarizzazione
delle onde portanti radio. Variazioni di questi parametri produrranno informazioni sul moto del
veicolo spaziale.
OBIETTIVI
I dati Doppler forniscono misure sulle velocità relative della navicella rispetto al target radar, che
può essere il nucleo della cometa o la terra. Le onde radar sono della particolari microonde
unidirezionali. La realizzazione di questi obbiettivi è stata possibile grazie ad altri esperimenti come
il sistema di immagini a distanza di OSIRIS.
ATTUALI SCOPERTE
Grazie a RSI si è potuta determinare la massa della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko che è
stata attestata intorno a 1x10 ^ 13 kg con un errore del 10%. Tale stima è stata effettuate quando
la sonda si trovava ancora a 100km di distanza dalla cometa tra il 6 e il 9 agosto 2014. La massa è
stata confermata anche dagli studi che l’ESA ha attuato per l’ avvicinamento alla cometa.
VIRTIS
Virtis (Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectrometer), esperimento integralmente italiano, è
costituito da uno spettrometro ad immagine che combina tre canali in un unico strumento. Due
riguardano la mappatura spettrale del nucleo (VIRTIS-M), il terzo è dedicato alla spettroscopia
(VIRTIS-H).
OBIETTIVI
Gli obbiettivi di VIRTIS sono:
•Studiare il nucleo cometario e le sue condizioni
•Determinare la natura dei solidi della superficie del nucleo
•Identificare le specie gassose e i loro cambiamenti in base all’attività cometaria
•Caratterizzare le condizioni fisiche della chioma
•Misurare la temperatura del nucleo
•Aiuto per selezionare luogo di sbarco e sostegno ad altri strumenti
SCOPERTE
VIRTIS ha registrato circa tre milioni di spettri della superficie di 67P/C-G sin da quando Rosetta era
a 14000 km fino a meno di 100 km. Da questi spettri è stata determinata la temperatura della
superficie grazie alla misura della radiazione emessa nella gamma tra 4,5-5,1 micron: infatti ogni
corpo a una certa temperatura emette una radiazione tale da ricondurci proprio alla sua
temperatura. La cometa, assimilabile per semplicità a un corpo nero (corpo che assorbe ogni
radiazione incidente e che emette radiazioni termiche analogamente a quelli comuni), segue la
legge di Wien che afferma che il prodotto tra la lunghezza d'onda relativa alla potenza massima
con cui il corpo emette radiazione e la temperatura è costante e pari a 2,89x10^(-3) mxK. Il corpo
segue anche la legge di Stefan per cui l'emittanza termica del corpo nero è direttamente
proporzionale alla temperatura assoluta elevata alla quarta secondo una costante pari a
5,670303x10^(-8)W/(m^2xK^4). L'emittanza termica corrisponde all'energia totale radiata al
secondo per unità di superficie, la temperatura assoluta è pari alla temperatura stessa misurata in
kelvin.
Già a luglio (quando la cometa occupava solo pochi pixel del campo di vista di VIRTIS) si era fatta
una stima della temperatura che si attestava intorno ai 205K (-68 gradi Celsius) e ciò escludeva una
superficie ricoperta di ghiaccio poiché la temperatura non è abbastanza bassa per far solidificare i
gas presenti.
Dopo l’arrivo di Rosetta alla cometa è stato possibile misurare le variazioni di temperatura della
superficie del nucleo. Questo dato è stato usato anche per scegliere il sito di atterraggio.
Successivamente sono state create delle mappe della temperatura superficiale che varia anche in
base all’ora locale e sono state registrate anche temperature intorno ai 230K (-43°C).
Tutti questi dati sulla temperatura forniscono indizi sulle proprietà fisiche e sulla composizione
della cometa. I dati fanno quindi pensare a una superficie cometaria composta da una crosta
porosa e polverosa oltre che termicamente isolante e povera di acqua ghiacciata. Ciò coincide con
le misure di inerzia termica che è tipica dei materiali polverosi ad alta porosità.
Grazie a VIRTIS sono stati indagati anche gli shock termici della superficie quando questa entra o
esce dall’ombra. Ciò è interessante perché questi shock possono portare a microfratture e quindi a
variazioni della superficie.
Il team sta anche studiando attentamente gli spettri per avere informazioni sulla composizione
chimica della superficie. Tra i primi risultati vi è la conferma che la crosta è generalmente
disidratata; inoltre sono state riscontrate alcune caratteristiche spettrali compatibili con complessi
materiali carboniosi macromolecolari presenti anche nei meteoriti carboniosi più antichi. Questi
materiali sono spesso indicati come “organici”, anche se la loro origine è estranea alla vita.
VIRTIS 3
OBIETTIVI
Mappare emissioni gas della cometa e cambiamenti in base all’attività cometaria. In questo modo
è possibile capire i rapporti tra le molecole che compongono il ghiaccio della cometa e scoprire
cos’è di fatto la cometa 67P/C-G
SCOPERTE
Dopo aver mappato la temperatura superficiale della cometa, VIRTIS ha cominciato a studiare i
diversi gas della chioma e i cambiamenti di questi con l’attività della cometa. Agli inizi di ottobre
2014 l’attività sul collo della cometa è diventata abbastanza alta per rilevare acqua (H2O) e
anidride carbonica (CO2). Da queste misure è risultato che l’anidride carbonica ha un abbondanza
relativa rispetto all’acqua di circa il 4%, dimostrando come la cometa 67P/C-G sia meno ricca di
CO2 rispetto ad altre comete dove questo dato si attesta intorno al 20%.
Queste misure hanno reso possibile determinare la temperatura a una certa distanza dalla
superficie che a circa 1 km da essa si attesta intorno a circa -183°C. Questa differenza era prevista
poiché i gas subiscono una trasformazione adiabatica, ovvero una trasformazione termodinamica
dove non avviene scambio di calore tra il sistema e l’ambiente esterno.
Oltre a acqua e anidride carbonica sono stati riscontrati in concentrazioni minori gas come
monossido di carbonio (CO), metanolo (CH3OH), metano (CH4), formaldeide (CH2O), e idrocarburi
come acetilene (C2H2), ed etano (C2H6).
Misura delle temperatura della superficie di 67P/CG tra il tempo locale delle 12h e 14h. Queste
immagini sono del luglio 2014 quando Rosetta era a circa 3,6AU e 3,5AU dalla Terra (AU,
Astronomical unit, distanza media Terra-Sole pari a 149,6x10^6 km).. I numeri rappresentavano i
possibili siti adatti all’atterraggio di PHILAE.
Cosima
Cosima (Cometary Secondary Ion Mass Analyser) è uno strumento composito di uno spettrometro
di massa a ioni, un collettore di polvere, una sorgente ionica in grado di emettere ioni primari e un
microscopio ottico. Questa strumentazione è utilizzata in ambito scientifico per la caratterizzazione
di elementi di dimensioni ridotte (50-70 micron). Cosima, montato sulla sonda Rosetta, è stato in
grado di studiare due granelli di polvere rilasciati dalla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko:
In figura le due particelle ingrandite dal microscopio ottico. Queste, bombardate con ioni primari,
emettono ioni secondari che sono analizzati dallo spettrometro di massa. Questo processo, che
passa sotto il nome di SIMS, è in grado di rilevare le sostanze presenti. Tale esperimento ha dato la
possibilità agli studiosi dell'ESA di avere un idea della composizione superficiale della cometa
prima di inviare il lander per il touchdown.
In figura le due particelle ingrandite dal microscopio ottico. Queste, bombardate con ioni primari,
emettono ioni secondari che sono analizzati dallo spettrometro di massa. Questo processo, che
passa sotto il nome di SIMS, è in grado di rilevare le sostanze presenti. Tale esperimento ha dato la
possibilità agli studiosi dell'ESA di avere un idea della composizione superficiale della cometa
prima di inviare il lander per il touchdown.
I dati ottenuti potrebbero però essere alterati dall'aumento della temperatura dei grani di polvere
all'impatto con la strumentazione a 100m/s (360km/h). Tale aumento è determinato dalla
conversione dell'energia cinetica dei corpuscoli in termica e potrebbe
potrebbe cambiare la composizione
dei piccoli frammenti catturati; nonostante ciò, gli studiosi erano fiduciosi per le osservazione che
sarebbero state effettuate anche grazie ai test simulati in laboratorio; infatti il luogo della collisione
è una piastra d'oro ricoperta da un “metallo nero” che, grazie alla sua elevata porosità, è in grado
di assorbire parte dell'energia dei corpuscoli.
OBIETTIVI:
Gli studi verteranno su: composizione chimica, composizione isotopica di elementi chiave come
Mg, Ca, Ti (per comprendere l'origine e l'evoluzione delle comete), cambiamenti della
composizione al variare del tempo e della posizione nell’orbita, la variabilità di composizione con
altre comete note (come quella di Halley), la presenza di una componente organica e dei
d suoi
rapporti (in massa) rispetto alla componente inorganica.
SCOPERTE:
La foto con i due granelli di polvere è stata esposta al Congresso europeo di scienza planetaria
(EPSC) tenutosi a Lisbona, in Portogallo. Le due particelle sono state catturate il 24 agosto 2014,
quando Rosetta si trovava a circa 100 km dal nucleo della cometa. I risultati delle analisi sono stati
molto attesi dal momento che questi sono tra i primi grani di polvere ad essere stati raccolti oltre la
“snow line” del Sistema Solare, ovvero
ovvero la distanza minima dal Sole ove la temperatura è
sufficientemente bassa da permettere ai composti contenenti idrogeno, come l'acqua,
l'ammoniaca e il metano, di raggiungere lo stato solido.
Lo spettrometro di massa ha permesso di analizzare la
composizione
sizione dei due granelli; questi sono i risultati:
Il grano di polvere esaminato è stato chiamato “Boris” per
facilitare le operazioni della squadra addetta al progetto
Cosima. Come evidenzia il grafico, i due principali elementi
riscontrati sono il magnesio
sio (Mg) e il sodio (Na+); il primo era
un dato atteso poiché rilevazioni su altre comete avevano
evidenziato la presenza di olivina e pirosseno, contenenti
molto di questo materiale. Al contrario la scoperta del sodio in
un fase minerale refrattaria ha suscitato
su
stupore fra la
comunità scientifica anche se tale elemento era già stato
riscontrato nella cometa “Wild 2” e in “Hale Bopp”.
Il prossimo obiettivo della missione è dunque quello di scoprire l'ubicazione del sito ricco di sodio
da cui proviene Boris.
MIRO
MIRO è una parte della strumentazione di Philae che funziona sia da radiotelescopio che da
analizzatore di spettro eterodina. Quest’ultimo è un particolare tipo di circuito elettronico impiegato
per costruire ricevitori radio che analizzando lo spettro (quindi le radiazioni elettromagnetiche) della
cometa può risalire agli elementi che la compongono riconoscendone le frequenze; in questo caso
la tecnica eterodina permette di utilizzare un piccolo numero di filtri (in questo caso due) che in
istanti diversi vengono accordati su frequenze diverse di centro banda. Si occuperà di caratterizzare
il nucleo della cometa e della sua produzione gassosa, e inoltre di studiare lo sviluppo della
chioma. Durante il mese di giugno del 2014 Miro ha rilevato la presenza di vapor acqueo sulla
cometa, quantificato come l’equivalente di due piccoli bicchieri d’acqua “emessi” al secondo. A
settembre Miro ha eseguito analisi più approfondite mostrando che la quantità di vapor acqueo
emesso varia in base alla rotazione del nucleo, stimabile di media intorno ad un litro al secondo,
raggiungendo un massimo di cinque litri. Sono stati inoltre trovati componenti quali ammoniaca,
metanolo e sorprendentemente anche monossido di carbonio, mentre le stime della temperatura
del sottosuolo della cometa vanno da un massimo di -113° C ad un minimo di -243° C.