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A differenza di altre sonde che ho analizzato negli [1] altri articoli, in questo caso si tratta di una missione con uno scopo scientifico ben preciso: analizzare un numero enorme di stelle in una determinata zona del cielo, alla ricerca di pianeti extrasolari, con particolare riguardo per quelli aventi le dimensioni della nostra Terra. La sonda è stata posta in un’orbita intorno al Sole (non intorno alla Terra), con caratteristiche tali da ricevere il minimo disturbo da parte della nostra stella più vicina. Al contrario dunque delle altre sonde viste in precedenza, la Keplero non ha incontrato oggetti celesti e dunque nel simulatore 3D potremmo ammirarne l’armonia orbitale e la sincronia con l’orbita terrestre.

La strumentazione

In [2] questo articolo avevo segnalato le prime scoperte della Keplero, affermando che la sonda è in grado di monitorare contemporaneamente un numero elevatissimo di stelle: in un commento all’articolo, un amico ci chiedeva come ciò potesse essere possibile e questo mi ha spinto ad anticipare la scrittura e la pubblicazione di questo aticolo, invece di lasciarlo all’attuale penultimo posto della mia scaletta.

In particolare la sonda Keplero (a fianco) non è altro che uno stupendo [3] telescopio Schmidt con uno specchio da 1.4 metri ed una lente correttrice da 90cm: già così sarebbe uno strumento che farebbe gola ad un gran numero di appassionati (tra cui il sottoscritto!). Ma la cosa ancora più strepitosa è che è stato dotato di un fotometro costituito da un array di ben 42 CCD: come vediamo in [4] fuoco dello specchio e il telescopio che si muove per inquadrare successivamente più oggetti.

In questo caso è come se avessimo un grandissimo CCD (da 90Mpixel!) costituito da 42 CCD disposti in una matrice 5×5 (con esclusione dei 4 vertici, per dare al tutto una forma vagamente circolare) ed in cui ogni cella è formata da due CCD affiancati: ognuno dei singoli CCD dalla dimensione notevole (50×25 mm!) ha una risoluzione pari a quella di una media fotocamera: 2200×1024 pixel.

Ma ricordiamoci che questi singoli CCD sono presenti contemporaneamente e a tutti gli effetti è come se componessero un unico sensore da 250mm di lato, da 90Mpixel, come detto: un abisso di qualità (ma anche di costo!) lo separa dall’ottica di un’attuale fotocamera, anche la più professionale e costosa!

In più la Keplero è progettata in modo tale da puntare sempre la stessa zona del cielo (tra le [5] costellazioni del Cigno e della Lira), zona che possiede un’area di 105 gradi quadrati, con un FOV (Field Of View, [6] campo di visualizzazione) circolare di circa 12 gradi di diametro: una zona che comprende un totale di più di 100.000 stelle.

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In particolare poi nella foto a fianco, vediamo una favolosa dimensione “galattica” dell’area puntata dalla Keplero, che dunque osserverà, lungo il braccio di Orione della nostra [7] galassia, un mucchio di stelle poste a distanza tra poco meno di 600 e 3000 anni luce, un range di distanze alle quali è prevedibile che possa trovare esopianeti grandi quanto la Terra.

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Nella figura successiva vediamo qual é la zona di cielo prescelta e la copertura da parte di ognuno dei CCD della matrice: in questo modo in ogni istante la luce proveniente dalle stelle contenute in questa area del cielo viene letta e campionata dal sistema elettronico di bordo.

Il tempo di campionamento è di 3 secondi (per evitare effetti di saturazione dell’immagine) e cioé ogni tre secondi viene effettuata una sorta di “foto” del [6] campo stellare da parte di tutto questo Mega-CCD, creando un’immagine dunque di molto meno di 90Mpixel: in particolare infatti vengono acquisiti dati dai pixel dei vari CCD solo in corrispondenza di stelle con luminosità più brillante della [9] magnitudine mv=14. In realtà l’immagine del [6] campo stellare è leggermente sfocata per migliorare la precisione fotometrica e i dati vengono integrati per un totale di 30 minuti. Pensate che l’immagine di una singola stella copre in media 30 pixel in quello che in gergo chiamano un “postage stamp” (francobollo!): questa area è stata scelta come compromesso per compensare il movimento della sonda.

Tutte queste infomazioni raccolte dal fotometro vengano opportunamente zippate, collezionate, memorizzate a bordo e successivamente inviate con cadenza mensile al centro di controllo, dove con opportuni algoritmi di confronto vengono certosinamente ricercati eventuali pianeti in [11] transito sulle singole stelle presenti del FOV.

La sonda è dunque posta in orbita intorno al Sole e punta sempre nella direzione della FOV vista in precedenza, grazie ad un’operazione di Star Track (attenzione! non Star Trek!!) compiuta da due appositi “Star Trackers” che mantengono un costante puntamento verso stelle di riferimento.

Per quanto riguarda l’area di cielo scansionata dal fotometro di bordo, è stata scelta dunque un’area ben lontana dall’[12] eclittica, perché non fosse bloccata periodicamente dalla presenza del Sole e della Luna, ma in modo tale da contenere un gran numero di stelle da campionare: la vicinanza della zona al piano galattico garantisce la presenza un grandissimo numero di stelle.
C’è da aggiungere che la sonda, proprio quando deve inviare i dati alla Terra, deve orientarsi verso la Terra (dato che l’antenna è solidale con la navicella spaziale e non è posta su un braccio) per poi ritornare a puntare il [6] campo stellare prefissato: oltre a questo movimento mensile, la sonda viene fatta ruotare ogni 3 mesi, per poter puntare le celle solari verso il Sole.

Ricordate la storia dei francobolli? Per tre mesi dunque ogni stella presenterà sempre lo stesso francobollo esattamente nella stessa posizione dello stesso CCD. Quando invece allo scadere dei tre mesi la sonda ruota, questi francobolli delle stelle verranno intercettati da altri CCD: un po’ come quando ruotiamo una nostra fotografia (quadrata) di 90° con il nostro software preferito…

A migliorare ulteriormente la situazione, i diabolici scienziati della NASA hanno scelto le 100000 stelle in modo tale che i loro francobolli non si sovrappongano mai e dunque la loro immagine abbia sempre intorno a sé un anello di pixel neri: in questo modo perciò ogni stella risulta staccata dalle altre!

L’orbita della sonda

La Keplero è stata lanciata il 7 marzo 2009 da Cape Canaveral con un lanciatore Delta II (che abbiamo già incontrato negli articoli relativi ad altre sonde), necessario e sufficiente a porre in orbita oggetti che non si devono allontanare troppo negli spazi siderali: infatti la Kepler è stata messa in orbita eliocentrica (a fianco) con un periodo di 372.5 giorni, dunque leggermente più lunga di un anno, che fa sì che la Kepler piano piano si allontani dalla Terra fino ad un massimo di mezza Unità Astronomica dopo 4 anni. Come dicevo nell’altro articolo, la durata della missione deve essere lunga abbastanza per poter trovare esopianeti all’interno o in vicinanza della Zona Abitabile di una stella. Una durata di 4 anni consente dunque l’acquisizione di 4 transiti da parte di un oggetto con periodo pari ad un anno (come la Terra) nonchè di 3 transiti per un oggetto con un periodo di 1.33 anni.
Sicuramente verrà in seguito proposta un’estensione di altri due anni alla missione per poter migliorare la scoperta di oggetti più piccoli della Terra come pure altri oggetti posti alla distanza di Marte.

Simulatore 3D

A differenza di quanto sono interessanti ed affascinanti la strumentazione e la missione della Keplero, viceversa la sua orbita intorno al Sole può sembrare alquanto deludente: lanciando il [14] Simulatore 3D vedremo come la sonda si allontana dalla Terra mantenendo la sua orbita molto simile. Tutto qui!

Tra l’altro i dati forniti dal Laboratorio JPL della NASA a tutt’oggi finiscono nel 2013…

Considerazioni finali

Nel sito della NASA, nell’angolo delle domande e risposte, si trova pure un’interessante questione: perché non è stato usato il telescopio Spaziale Hubble (HST) per questo tipo di misure, vista la sua potenza ed affidabilità. La risposta è aticolata in tre punti.
Il primo è che il FOV dell’Hubble è infinitamente più piccolo di quello necessario a monitorare 100000 stelle, essendo in grado l’HST di puntare al massimo una stella per volta.

Il secondo punto riguarda il fatto che le stelle devono essere monitorate continuamente e non di tanto in tanto, dato che non si sa assolutamente quando un [11] transito potrebbe avvenire: poi l’HST è dedicato a tutta la comunità astronomica internazionale e sarebbe assurdo monopolizzarlo per quattro anni.

L’ultimo punto è che l’HST non ha un fotometro designato appositamente per controllare 100000 stelle contemporaneamente, con il grado di precisione necessario a scoprire esopianeti grandi come la Terra.
Tutte queste considerazioni mi hanno convinto! E a voi?

Il futuro della sonda Keplero

La Keplero orbita il Sole come la Terra, con un periodo leggermente maggiore e si trova sempre indietro rispetto al nostro pianeta: ma fra 61 anni starà di nuovo vicino alla Terra (dall’altra parte!) ma non ci saranno pericoli di collisioni. Il responsabile della missione, Bill Borucki ha affermato sorridendo “I miei nipotini recupereranno la sonda Keplero e la metteranno nel Museo Spaziale Nazionale sulla Luna”. Ma molto più probabilmente la sonda verrà lasciata tranquilla in orbita…
E magari se fra un po’ il JPL fornirà valori per i prossimi 61 anni allora sarà sì divertente vedere con il simulatore 3D come la sonda effettivamente si va ad avvicinare di nuovo alla Terra…