Lo scorso 28 settembre la missione Juice dell’Esa ha superato un’altra importante tappa nel suo viaggio verso Giove: la sua penultima manovra di fionda gravitazionale, realizzata attraverso un flyby della Terra. Sorvolo che non è stato solo un passaggio essenziale sulla rotta della sonda verso Giove, ma anche un’opportunità per mettere alla prova le osservazioni e le operazioni che caratterizzeranno l’esplorazione del sistema gioviano da parte di Juice.

Fin dal suo lancio, avvenuto il 14 aprile 2023, Juice si sta dirigendo verso Giove e le sue lune ghiacciate, dove arriverà nel 2031. Arrivarci è però tutt’altro che semplice. «Per andare direttamente su Giove, occorre raggiungere una certa velocità», spiega Arnaud Boutonnet, mission analyst di Juice per l’Esa. «Ecco perché sono necessarie le manovre di assist gravitazionale».

Percorso completo dello scorso flyby di Juice sulla Terra. Crediti: Esa

Queste manovre sfruttano la gravità di un pianeta per alterare la rotta e la velocità di un veicolo spaziale. Con la sua recente fionda gravitazionale offerta dalla Terra, Juice ha ora completato tre dei quattro flyby previsti. Dopo il sorvolo di Venere, Juice aveva una velocità sufficiente rispetto alla Terra, ma non procedeva ancora nella direzione giusta. Quest’ultimo flyby ha modificato la direzione della traiettoria della sonda di circa 20 gradi, orientandola verso Giove, in vista di un’ultima correzione che avverrà nel 2029, durante il suo ultimo sorvolo del nostro pianeta.

Ma la manovra dello scorso settembre non ha riguardato solo la navigazione. Ha anche offerto ai team della missione una preziosa opportunità per simulare le sfide operative e scientifiche che attendono Juice su Giove.

Prova generale nelle tenebre

Lo scorso 12 agosto, molti hanno assistito alla spettacolare eclissi solare totale che ha attraversato la Groenlandia, l’Islanda, la Spagna e parti del Portogallo. Per gli osservatori sulla Terra, la fase di totalità è durata poco più di due minuti. Anche le sonde spaziali affrontano le eclissi. Durante la sua manovra gravitazionale lunare-terrestre nel 2024, Juice ha sperimentato un’eclissi della durata di 32 minuti. Il suo recente flyby terrestre, tuttavia, ha battuto un nuovo record per la missione. Prima del massimo avvicinamento, infatti, Juice è scivolata nell’ombra della Terra, trascorrendo tre ore in completa oscurità (ombra totale o umbra) e sei ore in ombra parziale. Fatto ancora più importante, l’eclissi ha replicato in modo molto simile le condizioni che Juice incontrerà su Giove, offrendo al Flight Control Team una rara opportunità per testare le future strategie operative anni prima dell’arrivo.

«I flyby sono diventati abbastanza di routine per la missione, ma richiedono comunque un’enorme quantità di preparazione. Per questo ci siamo preparati per più di un anno», ricorda Angela Dietz, spacecraft operations manager di Juice.

L’eclissi ha trasformato questa preparazione in una prova generale per Giove.

Tre ore senza Sole: batterie alla prova del buio

Juice è alimentata da due grandi pannelli solari, che insieme formano una superficie di 85 metri quadrati. Si tratta di un’area pari a circa la metà di quella di un campo da pallavolo. Questi pannelli saranno essenziali su Giove, dove la luce solare ha un’intensità pari a solo il tre per cento di quella terrestre, e le eclissi possono durare fino a cinque ore.

«Questa è stata la nostra prima opportunità per testare in volo condizioni di eclissi prolungata», spiega Dietz.

Con mesi di anticipo, il Flight Control Team dell’Esoc (European Space Operations Centre) ha simulato scenari di eclissi e procedure di emergenza, mentre i team delle operazioni scientifiche dell’Esac (European Space and Astronomy Centre) hanno preparato gli strumenti per le attività di osservazione e calibrazione. La sera del 27 settembre, mentre Juice entrava nella penombra ,alle 21:30 ora italiana, gli operatori di volo dell’Esoc, man mano che la telemetria giungeva a terra attraverso l’antenna per lo spazio profondo di Cebreros Estrack dell’Esa, monitoravano il calo di potenza dei pannelli solari e il conseguente aumento dell’utilizzo delle batterie. Nel corso dell’eclissi, la carica delle batterie è scesa fino al 54 per cento. I pannelli solari hanno ripreso a generare energia alle 04:14 ora italiana. Con il limite operativo fissato al 35 per cento e il veicolo spaziale che si è comportato in modo nominale, il risultato ha superato le aspettative.

«I dati sull’energia che abbiamo ottenuto da questo flyby sono molto importanti, perché verranno utilizzati per le future simulazioni delle eclissi gioviane», spiega Paula Betriu, science operations engineer di Juice che lavora a Esac per Starion.

Ma l’eclissi è servita a molto di più che a verificare come mantenere in vita la sonda.

Scienza oltre la sopravvivenza

Su Giove, Juice dovrà continuare a fare scienza anche durante i lunghi periodi di oscurità.

«Inizialmente pensavamo che non avremmo avuto abbastanza energia per la strumentazione scientifica di bordo. Ma dopo aver approfondito la questione, ci siamo resi conto che potevamo mantenere attivi diversi strumenti e sfruttare appieno l’opportunità», dice Dietz.

I dieci strumenti scientifici hanno tutti contribuito alla campagna del flyby, seppur non tutti in funzione contemporaneamente durante l’eclissi.

«È stata una campagna impegnativa», dice Pilar Esquej, science operations engineer di Juice che lavora a Esac per Starion. «L’eclissi ha imposto vincoli rigorosi, quindi abbiamo dovuto stabilire le priorità delle osservazioni con estrema attenzione e trovare dei compromessi».

La Terra ripresa dalla fotocamera a guida italiana Janus

Durante la fase di assist gravitazionale, dal 27 settembre al 2 ottobre, la fotocamera scientifica ad alta risoluzione a bordo di Juice Janus, realizzata con il finanziamento dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), ha acquisito 740 immagini, utilizzando i diversi filtri dello strumento e a varie risoluzioni spaziali. Durante il sorvolo della Terra, dal limbo notturno a quello diurno, Janus ne ha osservato con continuità la superficie. In particolare, è stata ottenuta una lunga sequenza diurna attraverso l’Oceano Indiano occidentale, il Madagascar e l’Africa centrale, osservati con molteplici filtri. Prima e dopo l’arco di massima vicinanza, la sonda è stata puntata verso la Luna, consentendo a Janus di ottenere immagini del nostro satellite in fase quasi piena. Il 2 ottobre, prima di concludere la sequenza operativa, Janus ha osservato la Terra un’ultima volta.

Dettaglio di una sezione della fascia di osservazione che mostra l’intera larghezza dell’isola del Madagascar, con cumuli di bel tempo sopra la terraferma e le valli fluviali nella parte occidentale. L’area marina luminosa e color ocra su entrambi i lati è dovuta al riflesso della luce solare sulla superficie dell’acqua. Crediti: Esa/ Juice / Team Janus. Elaborazione: L. Penasa

«Uno dei possibili casi di studio», spiegano il principal investigator dello strumento, Pasquale Palumbo, e i membri del team scientifico Alice Lucchetti, Luca Penasa e Cecilia Tubiana, tutti dell’Inaf, «riguarda la vegetazione. I filtri Janus nel visibile e nel vicino infrarosso consentono, infatti, di misurare il forte contrasto esistente tra l’assorbimento della clorofilla nel rosso e l’elevata riflettanza della vegetazione nel vicino infrarosso. L’analisi dei dati permetterà di produrre, in via sperimentale, mappe di indici di vegetazione e confrontare regioni molto diverse tra loro, come Mauritius, Madagascar e diverse aree dell’Africa orientale e meridionale».

«Sarà possibile poi confrontare questi prodotti», continuano i quattro ricercatori dell’Inaf, «con osservazioni iperspettrali della Terra ottenute da missioni dedicate all’osservazione terrestre. In particolare, dati Prisma potranno essere utilizzati come riferimento per verificare quanto le informazioni contenute nei più larghi filtri Janus riescano a riprodurre la risposta spettrale osservata da uno spettrometro iperspettrale. Sono inoltre previste osservazioni EnMap di alcune regioni attraversate dalla geometria dell’assist gravitazionale, in particolare in Madagascar e nell’area di confine tra Congo e Zambia. Alcune di queste regioni includono aree minerarie ben caratterizzate e potranno quindi costituire casi di studio per confrontare tecniche di analisi dati applicate ai dati EnMap, alle immagini multispettrali Janus e, dove disponibile, alle osservazioni Majis».

Un’occasione per mettere alla prova il software di guida autonoma

L’eclissi ha anche fornito l’occasione per testare un altro sistema chiave necessario su Giove: il software Eagle (Enhanced Autonomous Guidance through Limb Extraction), un sistema di guida autonoma migliorata basato sul riconoscimento del bordo apparente dei corpi celesti.

Eagle utilizza le due telecamere di navigazione della sonda per migliorare la precisione di puntamento durante i sorvoli ravvicinati delle lune, tracciando il bordo illuminato – il cosiddetto lembo – di un satellite naturale e aiutando così Juice a determinare la sua posizione con maggiore precisione e a mantenere le osservazioni esattamente sul bersaglio.

Immagine della Luna ripresa dalla NavCam della sonda Juice durante il sorvolo della Terra. Crediti: Esa/Juice/Jmc

Per il suo primo esercizio in volo, la geometria Terra-Luna è stata sfruttata per replicare quella di Giove e Io, preparando Eagle ai futuri flyby delle lune galileiane. I risultati saranno analizzati nei prossimi mesi.

Nonostante le difficoltà che ha posto, l’eclissi si è rivelata per alcuni aspetti anche vantaggiosa. Attualmente Juice si trova in un ambiente di crociera “caldo”, in cui le temperature limitano le osservazioni. Avere il Sole temporaneamente bloccato dalla Terra ha consentito alla sonda una maggiore libertà di puntamento, permettendo osservazioni altrimenti impossibili.

Nel loro insieme, queste attività hanno reso il flyby molto di più di una semplice correzione di traiettoria. Hanno dato a Juice un primo assaggio delle sfide che la attendono del sistema gioviano e la possibilità di fare una prova generale con anni di anticipo.

Fonti: press release Esa, press release Dlr

Brilla di verde chartreuse, completamente naturale proprio come il noto liquore francese, la nana bianca WD J1330+6435. A darle questo colore, però, non sono erbe, fiori, radici o spezie, ma un’atmosfera ricca di calcio, litio e sodio – elementi che la stella avrebbe rubato al proprio sistema planetario, opportunamente stimolati dai 4000 gradi della sua fotosfera. Secondo un nuovo studio dell’Università di Warwick, però, se ne potrebbero vedere di tutti i colori, di nane bianche. Rosa, viola, giallo, ma anche azzurro e verde. Colori che le comuni stelle non possono assumere e che, statisticamente, caratterizzerebbero una nana bianca su trenta. I risultati sono stati pubblicati ieri su RAS Techniques and Instruments.

Immagini simulate con colori realistici di nane bianche. Pannelli in alto a sinistra: Sirio B è la nana bianca più vicina al Sistema Solare, con un’atmosfera calda a base di idrogeno che le conferisce un colore azzurro pallido. WD J1147-7449 è invece tra le nane bianche vicine più fredde, il che le conferisce uno spettro privo di caratteristiche distintive e un aspetto arancione. Pannelli in alto a destra: gli involucri convettivi di queste nane bianche fredde hanno trasportato il carbonio dai loro nuclei verso le loro dense atmosfere dominate dall’elio, formando molecole di carbonio biatomiche che danno origine a varie sfumature di rosa. Pannelli in basso: l’accrescimento di detriti rocciosi provenienti dai sistemi planetari delle nane bianche arricchisce le loro fredde atmosfere di elio con elementi quali calcio, magnesio e sodio. Le diverse quantità e composizioni del materiale accresciuto e le temperature delle nane bianche consentono una vasta gamma di colori, compreso il verde. In realtà tutte le stelle sarebbero molti milioni di volte più luminose di quanto sia possibile mostrare sullo schermo. Crediti: Mark Hollands/Università di Warwick

Le stelle “normali”, quelle che si trovano nella sequenza principale, appaiono ai nostri occhi di un colore che dipende unicamente dalla temperatura della loro fotosfera. Gli astronomi le hanno divise in sette tipi spettrali, con colori che vanno dal bianco-blu nelle più calde, al giallo nelle stelle come il Sole, fino al rosso nelle stelle più fredde. Si pensava che anche le nane bianche, densi resti lasciati dalle stelle simili al Sole al termine della loro vita, seguissero la stessa regola. Devono il loro nome al fatto che i primi esemplari individuati erano sorprendentemente caldi e brillavano di luce bianca o azzurro pallido. Ma, secondo gli autori del nuovo studio, se potessimo osservarle da vicino, alcune brillerebbero di colori come il verde, il rosa, il ciano, il giallo e il viola.

«La maggior parte delle stelle, comprese quasi tutte le nane bianche, si comporta come un “radiatore perfetto”, perciò il loro colore dipende quasi interamente dalla temperatura. Ma nessuno aveva davvero approfondito quali altre possibilità potessero esistere per le nane bianche», spiega Mark Hollands, ricercatore del programma Warwick Prize Fellow nel gruppo di astronomia e astrofisica dell’Università di Warwick, primo autore dello studio. «A quanto pare, queste stelle incredibilmente dense possono produrre colori che nessuno si aspettava, e alcuni mi hanno davvero sorpreso».

In verità, nessuna nana bianca è abbastanza vicina alla Terra da consentirci di osservarne direttamente il colore, come facciamo con le altre stelle. Se in una notte serena guardiamo Betelgeuse, la famosa supergigante rossa nella costellazione di Orione, non avremo dubbi sul fatto che appare rossa. Per capire di che colore vedremmo una nana bianca, invece, bisogna partire dal suo spettro di luce. Così facendo, i ricercatori hanno scoperto che i colori di questi corpi celesti si distribuiscono in gruppi distinti, e che a creare le stranezze cromatiche sarebbe la loro atmosfera. O meglio, la sua densità. Le atmosfere delle nane bianche più fredde possono infatti raggiungere una densità di circa un grammo per centimetro cubo, paragonabile a quella dell’acqua e milioni di volte superiore a quella della fotosfera del Sole, ad esempio. In queste condizioni, gli elementi chimici presenti – anche se soltanto in tracce –, come carbonio, calcio e sodio, interagiscono con il plasma denso di elio circostante e assorbono la luce in una gamma di colori più ampia rispetto a quanto accade a densità inferiori. Questo altera il colore della stella, allontanandolo dal bianco, dall’arancione e dall’azzurro tipici di un radiatore perfetto.

Stella verde: la fredda nana bianca WD J1330+6435 ha accumulato nella propria atmosfera materiale roccioso ricco di sodio proveniente dal proprio sistema planetario. L’immensa densità atmosferica fa sì che il sodio assorba la luce in un ampio intervallo di lunghezze d’onda gialle, arancioni e rosse, conferendo a WD J1330+6435 un aspetto spettrale di colore verde. Stella rosa: La nana bianca fredda WD J0902+2010 presenta una profonda zona di convezione all’interno del proprio involucro esterno dominato dall’elio. La zona di convezione ha raggiunto il nucleo della nana bianca, portando il carbonio interno in superficie e formando molecole di carbonio. Queste molecole di carbonio assorbono fortemente la luce in tutto lo spettro ottico, comprese le lunghezze d’onda blu, verdi e gialle, facendo sì che WD J0902+2010 appaia rosa all’occhio umano. Crediti: Mark A. Garlick/Università di Warwick

L’esempio più sorprendente è proprio WD J1330+6435, una nana bianca con una temperatura di circa 4000 gradi Celsius che ha accumulato materiale roccioso proveniente dal proprio sistema planetario. Questo processo ha arricchito la sua atmosfera di calcio, litio e sodio, conferendole, secondo i modelli elaborati dal gruppo, un aspetto verde chartreuse. A risultare determinante sarebbero, in particolare, le tracce di sodio, che assorbono la componente arancione dello spettro, lasciando passare quella verde-gialla. Per quanto ne sappiano i ricercatori, non è mai stata documentata in modo attendibile alcuna altra stella, viva o morta, che appaia verde. All’estremo opposto – non me ne vogliano i daltonici – si fa notare WD J1011+2845, la stella più rossa mai registrata. Si tratta di una nana bianca relativamente vicina, a soli  48 anni luce dalla Terra, che possiede una profonda zona convettiva che ha portato in superficie carbonio proveniente dal nucleo. Le molecole di carbonio così emerse sono in grado di concentrare tutta la luce stellare a lunghezze d’onda superiori a 600 nanometri, producendo un intenso bagliore rosa salmone, che non ha eguali tra le stelle ordinarie.

Terminiamo con un po’ di statistica, per non far passare l’idea che tutte le nane bianche là fuori siano, riprendendo il titolo dell’articolo scientifico, “any colour you like“. Analizzando un campione rappresentativo di 151 nane bianche locali vicine alla Terra (entro un raggio di circa 65 anni luce), i ricercatori ne hanno trovate solo cinque con una colorazione insolita: due gialle e tre rosa. Una frazione di circa una su trenta. Delle altre 146 stelle hanno misurato la temperatura di colore, trovando una mediana di circa 6800 K, una temperatura che l’occhio umano percepisce come luce bianca. E che corregge l’idea finora diffusa secondo cui le nane bianche siano generalmente di colore blu. Concludendo, nonostante gli autori ci tengano a sottolineare che il numero di nane bianche colorate nell’universo (considerata la numerosità di questi oggetti stellari) sia elevato, possiamo affermare, con una punta di sollievo, nomen omen.

Per saperne di più:

• Leggi su RAS Techniques and Instruments l’articolo “Any colour you like: the diverse chromaticities of white dwarfs“, di Mark A Hollands , Boris T Gänsicke , Pier-Emmanuel Tremblay e Detlev Koester