Le sonde spaziali STEREO…in 3D! - parte 1

Si tratta di una coppia di sonde spaziali statunitensi lanciate nell’ottobre 2006 dalla NASA denominate STEREO, un acronimo tratto dalle parole “Solar TErrestrial RElations Observatory”. Lo scopo principale delle due sonde è quello di studiare il Sole a partire da immagini stereoscopiche ottenute da due punti di vista differenti: pensate a due sonde che nello stesso istante fotografano il sole da due punti molto distanti fra loro, per ottenere un’immagine stereoscopica, quasi in 3D!

Vediamo ora la complicata strategia di posizionamento di queste sonde nello spazio. Dall’istante in cui sono state lanciate da Cape Canaveral, le due sonde hanno seguito due complicatissime e stranissime orbite basate su fionde gravitazionali (gravity assist) da parte della Terra e della Luna, per ottenere alla fine una posizione alquanto inedita e strana rispetto al Sole e alla Terra stessa. Mentre la parte iniziale di queste orbite è veramente contorta e difficilmente rappresentabile con diagrammi, tanto da richiedere parecchie animazioni complicate, l’orbita finale è un po’ più rappresentabile e soprattutto spiegabile.

In pratica le due sonde, denominate STEREO-A e STEREO-B, dove anche le lettere “A” e “B” hanno un preciso significato (che vedremo e capiremo tra breve), sono state lanciate in modo da percorrere un’orbita intorno al Sole, praticamente alla stessa distanza Terra-Sole (e quindi a circa 1 UA, Unità Astronomica), in orbite complanari con quella del nostro pianeta, ma con una delle due posta in modo che si trovi “Ahead” (da cui la “A”), davanti, rispetto alla Terra e con l’altra “Beyond” (da cui la “B”), dietro alla Terra.

Nella figura a fianco vediamo la geometria della posizione delle due sonde rispetto alla Terra. Per capire la figura (decisamente complessa, ma piano piano ne spiegherò i misteri), dobbiamo pensare di osservare la Terra ed il Sole da una postazione fissa rispetto alla Terra: in questo modo la Terra ed il Sole si troveranno sempre nello stesso punto, mentre altri oggetti si muoveranno nei dintorni. Oppure più semplicemente possiamo anche pensare di fotografare la situazione un certo giorno e di controllarla dopo 365 giorni: la Terra si ritroverà nello stesso punto, ma le sonde no e fra breve ne vedremo il motivo.

Iniziamo dalla sonda STEREO-A: all’inizio, appena lanciata dalla terra, si allontana piano piano dal nostro pianeta e ad un certo punto si trova nel punto A1. Dopo un certo tempo, allontanandosi sempre di più, si troverà nel punto A2, poi nel punto A3 e poi in A4 e via così. Stessa cosa per la sonda STEREO-B che si allontana anche lei dalla Terra, ma in direzione opposta, per cui all’inizio si trovava in B1, dopo qualche tempo in B2, poi in B3, B4 e così via.

Per ottenere tutto questo, la sonda STEREO-A è stata posta in un’orbita leggermente più piccola di quella della Terra, in un’orbita che percorre in 347 giorni, invece dei 365 della Terra ed allo stesso modo la sonda STEREO-B è stata posta in un’orbita più grande di quella della Terra in modo da percorrerla stavolta in 387 giorni. Tutto questo avviene grazie alle leggi di Keplero!

Per facilitarvi l’interpretazione della figura pensate a due trenini elettrici (magari due piccole locomotive soltanto!) in due percorsi concentrici e la Terra che funge da stazione di partenza. Un trenino va in una direzione e l’altro nell’altra, pian pianino ed in un anno percorrono il tratto fino ad A1 e B1, il secondo anno fino a A2 e B2 e così via… Inesorabilemente e senza mai fermarsi! Rivedendo la figura precedente in quest’ottica, al momento del lancio la Terra e le due sonde si trovano tutte e tre nello stesso punto.

Passato un anno, la Terra si ritrova sempre nello stesso punto, mentre la sonda STEREO-A (che è più veloce) si troverà in A1, mentre la STEREO-B (più lenta) si troverà in B1. L’anno successivo, con la Terra sempre nello stesso punto, la STEREO-A si sarà portata nel punto A2, mentre la STEREO-B, la più lenta, avrà raggiunto solamente il punto B2. Tutto questo si ripete anno dopo anno, con la sonda STEREO-A che si troverà ogni anno sempre più “Ahead”, avanti, in anticipo e la sonda STEREO-B sempre più “Beyond”, dietro, in ritardo. Il disegno non è ovviamente in scala ma serve solo a far comprendere la complicata ma ingegnosa geometria.

Ma ricordiamo lo scopo per cui queste sonde sono state concepite: realizzare foto stereoscopiche del Sole. E’ facile convincersi che già quando le due sonde sono rispettivamente in A1 e B1, l’effetto STEREO è bello che pronto! Pensate invece quando le sonde erano in A2 e B2, oppure quando arriveranno in A3, B3 oppure in A4, B4! Ogni volta l’effetto stereografico sarà sempre differente. Avete notato che ho usato i verbi al passato ed al futuro? “Erano” e “arriveranno”…

Infatti dal 2006 sono passati alcuni anni e le sonde si stanno inesorabilmente allontanando dalla terra: in particolare ogni anno la sonda STEREO-A anticipa di quasi 22°, mentre la sonda STEREO-B ritarda praticamente della stessa quantità: pensate che curiosa ed ingegnosa armonia c’è in tutto questo!

Ogni anno l’angolo A e l’angolo B crescono entrambi di 22°, uno in un verso ed uno nell’altro. Ora è facile capire che quando la STEREO-A si trovava a 45° dalla Terra, anche la STEREO-B stava 45° indietro e dunque le due sonde si trovavano a 90°, cioè in quadratura, che è una configurazione in cui si possono venire a trovare Venere oppure Mercurio, nel corso delle loro rivoluzioni intorno al Sole: nulla a che vedere con termini astrologici…

Punti di Lagrange - ingrandire per

la visione completa dei punti L1-L5

Passa il tempo ed ecco che ad un certo punto (proprio in questo periodo!) la sonda STEREO-A si troverà nel punto A3 (e la STEREO-B in B3), esattamente a 60° prima (e dopo) rispetto alla Terra: vi ricorda niente questo fatto? Ma certo! In questa situazione le due sonde si troveranno proprio nei pressi dei punti Lagrangiani L4 ed L5 (leggi approfondimento) dell’orbita terrestre! E ciò accade per la prima volta in assoluto per una sonda spaziale!

Ma dato che si muovono, con il passare del tempo le due sonde poi si porteranno nei punti A4 e B4 a 90° gradi dalla Terra: e qui succederà qualcosa di veramente magico! Fotografando il Sole nello stesso momento non avremo più un’immagine stereoscopica, ma addirittura la completa copertura della superficie solare! E anche questo è un bellissimo traguardo! E si avrà fra meno di due anni, esattamente il 6 febbraio 2011. C’è da starne certi, dato che i nostri trenini cosmici non hanno i ritardi dei treni terrestri che ben conosciamo, e che il capostazione Keplero ha istruito ben bene i macchinisti!

Con il passare degli anni poi i nostri trenini (insomma, le due sonde) arriveranno in un punto dell’orbita proprio al di là del Sole rispetto alla Terra, in corrispondenza del punto che ho chiamato “C“, doppiandosi in questa rincorsa cosmica, ma senza alcun pericolo di scontri, dato che si trovano su orbite leggeremente differenti! Dopodiché è facile immaginare quello che succederà, con la STEREO-A che si riavvicinerà sempre di più alla Terra dal lato sinistro del disegno e viceversa con la STEREO-B che si comporterà esattamente allo stesso modo, ma dall’altro lato! Pensate sempre ai trenini e non sbaglierete: abbiamo già visto che più che trenini sono invece due lumache, lentissime, ma l’importante è che sono precisissime!

A ruoli invertiti ripasseranno perciò in corrispondenza dei punti B4 e A4 e così via passando in vicinanza di B3, B2 e B1 per la STEREO-A ed in vicinanza dei punti A3, A2 ed A1 per la sonda STEREO-B, il tutto con un moto quasi perfettamente simmetrico!
Ora che abbiamo capito questo complesso moto, ricordiamo che finora abbiamo scattato sempre una fotografia ogni anno, mentre dobbiamo pensare che in realtà Sole, Terra e le nostre sonde sono sempre in movimento: la terra ruota intorno al sole in un anno, mentre le sonde come visto sono una un po’ più lenta e l’altra un po’ più veloce. Dovete pensare ora che il disegno non sta fermo, ma gira su se stesso (con centro sul Sole) in un anno, quasi come se fosse un disco in vinile su un piatto di un giradischi oppure un CD nel nostro impianto STEREO o nel nostro PC, in ogni caso molto più lento…

Spero di aver spiegato sufficientemente il meccanismo del moto apparente delle due sonde rispetto alla Terra, perché ora dobbiamo fissare l’attenzione sul passaggio per i punti A3 e B3, che, come detto, corrispondono ai punti Lagrangiani L4 ed L5 dell’orbita terrestre. Ho già anticipato che questo passaggio avviene proprio quest’anno ed è qui che si innesca tutto un meccanismo non banale di ricerca di eventuali oggetti che costituiscono il mistero del titolo…

Nella prossima puntata vedremo di cosa si tratta (suspence!) e cosa si spera possano trovare le sonde, anche se tutto sommato non erano state progettate per lo scopo…

Una visione in 3D

Partendo da un programma Java Open Source (un’applet, per l’esattezza) che permette la visualizzazione in 3D di orbite planetarie, ho realizzato la possibilità di visualizzare in diretta ed in 3D le orbite dei due satelliti STEREO rispetto alla Terra, il Sole e gli altri pianeti.

Eccolo qua:
http://software.astronomia.com/applets/spacecraft/stereo.html

Nota: se si dovessero riscontrare problemi nel caricamento, consiglio si scaricare manualmente l’ultima versione di JRE (Java Runtime Environment) al seguente indirizzo: http://www.java.com/it/download/index.jsp

Dico subito che la rappresentazione 3D ha un certo livello di approssimazione che non le consente di utilizzarla per calcoli precisi di previsioni di eventi passati o futuri: vuole essere solamente un ausilio alla visualizzazione di quello che accade, il tutto con un tocco di 3D che non guasta certo! Vediamo allora come funziona questo programma, analizzandone i comandi.

Quella che appare è una rappresentazione in tre dimensioni del Sistema Solare fin oltre Marte, per la data corrente: iniziamo dalle scrollbar verticale ed orizzontale, che consentono di variare l’angolo di visualizzazione, praticamente spostandosi con il punto di vista: provate a spostare il cursore verticale ed orizzontale e capirete subito di che si tratta. In particolare tirando giù del tutto la scrollbar verticale vedremo il tutto dall’alto, dal Polo Nord Celeste del Sistema Solare. Il cursore denominato “Zoom” tiene fede al suo nome e consente di effettuare lo zoom in avanti ed indietro della visualizzazione.

Veniamo ai pulsanti: “Date” serve a cambiare la data di visualizzazione rispetto alla data corrente che viene utilizzata al lancio dell’applet. Si aprirà una microfinestra dove poter impostare la data desiderata. I valori vanno tra il 1 gennaio 1600 (!!) al 1 gennaio 2200.

I cinque pulsanti “Rewind“, “BackStep“, “Pause“, “Step” e “Play” sono il fiore all’occhiello del programma e consentono la simulazione dell’evoluzione nel tempo della situazione. Con “Play” vedrete pianeti e satelliti muoversi lungo la loro orbita con un tasso di variazione definito nella lista posta subito di sotto: “1 Day” (il valore di default) significa che la simulazione ogni secondo incrementa il tempo di 1 giorno. Altre possibilità vanno tra 1 ora ed 1 anno, rispettivamente per rallentare o velocizzare al massimo la simulazione stessa.

Questi valori servono anche per il comando “Step” che va avanzare passo passo la simulazione (e analogamente “BackStep” che la fa indietreggiare) a nostra volontà: in questo modo possiamo verificare ad esempio la configurazione dei satelliti in un determinato giorno. Infine “Rewind” fa scorrere la simulazione al contrario. La lista denominata “Center” permette di centrare la schermata sull’oggetto desiderato, mentre la lista subito sotto (”Orbits”) permette di accendere o spegnere le orbite dei pianeti e delle sonde singolarmente, oppure tutte insieme: penso che in questo caso “un click vale più di mille parole”!

Le check box invece servono ad accendere (se con la X) o spegnere (senza la X) alcune scritte:

• Date Label, la data in basso a destra
• Planet Labels, i nomi dei pianeti
• Distance, le distanze (dal sole e dalla terra) delle due sonde spaziali
• Spacecraft Labels, i nomi delle sonde

Tutte queste predisposizioni servono a settare la visualizzazione secondo i propri gusti. E potete cambiarle al volo mentre è in corso la simulazione! In ogni caso, per qualunque tipo di problema, sapete a chi rivolgervi
Buon divertimento!

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