La sonda Keplero

Pochi giorni fa abbiamo avuto la notizia che la sonda Keplero della NASA ha iniziato a scoprire esopianeti, stavolta 5 e di dimensioni molto grandi. Analizzeremo in questo articolo le caratteristiche di questa missione dal punto di vista della strumentazione di bordo e dell’orbita in cui la sonda è stata posta.

A differenza di altre sonde che ho analizzato negli 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 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.

sonda keplero

In particolare la sonda Keplero (a fianco) non è altro che uno stupendo 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 questa foto, non si tratta della solita configurazione di un $telescopio$ con un CCD sul 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 costellazioni del Cigno e della Lira), zona che possiede un’area di 105 gradi quadrati, con un FOV (Field Of View, campo di visualizzazione) circolare di circa 12 gradi di diametro: una zona che comprende un totale di più di 100.000 stelle.

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 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.

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 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 magnitudine mv=14. In realtà l’immagine del 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 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’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 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

Orbita

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 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 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…

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24 Commenti

  1. Bell’articolo! E bel satellite…

    Ma come mai l’antenna dev’essere riorientata verso le stelle dopo aver trasmesso i dati a terra? Non può rimanere sempre puntata verso terra?

  2. …volevo aggiungere qualcosa sul simulatore 3D… 😉
    I più attenti di voi avranno notato un piccolissimo particolare (un miglioramento, ma forse anche due…) che balza subito agli occhi e che appare anche lanciando le altre simulazioni negli articoli delle altre sonde! 😯
    Chi se ne accorge per primo? 😉

  3. @Lampo
    Di solito una sonda ha un’antenna posta su un braccio robotizzato che la tiene puntata (quasi) sempre verso la Terra: in questo caso, per abbattere i costi i progettisti hanno deciso di mantenerla solidale alla sonda (in modo che non ci fossero problemi di malfunzionamenti), costringendo però poi ad una regolare rotazione della sonda stessa per puntare di nuovo alla Terra.
    Se ci pensi il tutto è coerente con l’appuntamento solamente mensile di invio dei dati: con la precisione di puntamento che oramai ottengono con i sensori (gli Star Trackers, inseguitori stellari), possono permettersi di operare in questo modo…
    Ti starai già domandando: ma i comandi che la sonda deve ricevere da Terra?
    Semplice! La Keplero è completamente automatizzata ed in grado di svolgere le proprie funzioni autonomamente e non ha bisogno di ricevere comandi da terra, se non una volta al mese in occasione del download dei dati! Un vero robottino!
    PS Il satellite è veramente bello, specie la sua dotazione di apparati ottici!

  4. Ma invece qual’è lo stato della tecnologia per i viaggi spaziali? Vedendo più o meno i progetti per il ritorno sulla Luna della NASA si nota che il progresso fatto negli ultimi 50 anni è pari a zero. E’ mai possibile che in 50 anni non sono stati in grado di trovare un modo per uscire dalla nostra atmosfera senza bisogno dei primitivi razzi?? In 50 anni di ricerca, dopo il primo allunaggio del 1969, è mai possibile che ci siano ancora tutti questi problemi per tornare sulla Luna?? Si parla tanto di Energia Punto Zero, antimateria, whormhole ecc ecc, ma stanno studiando effettivamente, e non in teoria, la possibilità di creare vere astronavi in grado in pochissimo tempo di viaggiare nel Sistema Solare, o in grado di fare viaggi interstellari?
    Tutti questi telescopi sono molto utili, ma tenendo conto quanto l’umanità ha ottenuto tecnologicamente in soli 100 anni….mi sembra veramente assurdo e allucinante che ancora per andare su Marte abbiamo bisogno di sonde automatiche che impiegano circa 6 mesi con tragitti “strani”, e che per gli altri corpi del Sistema Solare si parla di anni, se non decenni, e che i viaggi interstellari ancora sono nel mondo della fantascienza. Di teorie ce ne sono tante, però se dovessi stanziare dei finanziamente alle agenzie spaziali mi chiederei seriamente cosa hanno fatto alla NASA negli ultimi 50 anni, visto che ancora siamo nella preistoria nelle tecnologie spaziali!

  5. Beh Marco il discorso non è così semplice…di passi ne sono stati fatti parecchi ma oggi come oggi purtroppo non esistono ancora propellenti tanto innovativi da permettere all’uomo di uscire dall’atmosfera con la facilità che io, tu e tutti spereremmo! Purtroppo ci si deve ancora basare sui combustibili solidi tipo quelli che riempiono i booster dello Shuttle e sui criogenici vari…la terra sarà mooolto piccola ma ci tiene davvero attaccati a sé, non ci vuole proprio far scappare così facilmente!

    Il fatto che oggi ci siano tante difficoltà a tornare sulla Luna quando il primo uomo che ci ha messo piede è l’ha fatto + di 40 anni fa è dovuto proprio al fatto che ci è andato 40 anni fa!! Mi spiego meglio…allora in piena guerra fredda si era disposti ad accettare dei rischi moooolto + elevati di quelli che si accettano oggi, diciamo che le missioni Apollo, nonostante siano andate “quasi” tutte bene, sono state missioni davvero rischiose, per una serie di motivi! Pochi sistemi di sicurezza, poca protezione contro le radiazioni, sistemi elettronici quasi inesistenti… Beh, tutte cose che oggi un astronauta non accetterebbe mai! Ma 40 anni fa, pur di arrivare per prima dei russi, pure a petto nudo ci sarebbero andati gli americani!

  6. Grazier Pier, ma quello che non capisco e che continuo a non capire, è perchè poi l’antenna, come hai scritto, deve ritornare a puntare il campo stellato prefissato! Non dovrebbe servire solo ad inviare i dati a terra sta antenna?

    Grazie ancora

  7. che bell’articolo Pierluigi! Complimenti, sempre esaustivo e completo su ogni fronte! dov’è la differenza di cui parli sopra nella simulazione?Dai che sono curioso! qualche aiutino almeno!
    @Lampo
    penso che non sia l’antenna, ad essere orientata verso le stelle, ma solo questo grande “occhio” ccd. l’antenna è soltanto solidale con la sonda, e quindi non sempre (e magari mai) è orientata verso la terra, come anche i pannelli solari verso il sole…

  8. @staff
    vorrei segnalare che il feed dei commenti di astronomia.com non sta andando per nulla bene!! si aggiorna ogni 24 – 36 ore, da almeno una settimana!

  9. @Lampo
    se guardi bene il disegno indicato con “Orbita” capirai meglio il meccanismo.
    Pensa alla sonda come un pianeta (ad esempio la Terra) che ruota intorno al Sole con l’asse di rotazione puntato SEMPRE verso il Cigno e la Lira (il suo Polo Nord), mentre la sua antenna punta sempre in un’altra direzione (che dal disegno però si capisce poco). Supponiamo ad esempio che per semplicità punti verso il suo Polo Sud (all’opposto del Cigno-Lira) …
    Ecco che ruotando intorno al sole, l’antenna non punterebbe mai verso la Terra, dal momento che è solidale con la sonda stessa!
    Perciò ogni mese la sonda viene fatta ruotare in modo da far puntare l’antenna verso la Terra: finito di trasmettere i dati, la sonda viene di nuovo ruotata in modo che il telescopio ora punti di nuovo verso il Cigno-Lira.
    Non è l’antenna che punta al campo stellare (non servirebbe a niente!), ma ovviamente il telescopio!!
    Dunque pensa alla Terra che ruota intorno al Sole mantenendo sempre l’asse di rotazione parallelo e vedrai che non ti confonderai più! 😉

  10. @Sefano
    si, in effetti mi sono arrivate una ventina di segnalazioni di aggiornamento dei commenti tutte ora!
    speriamo bene per quelle che verranno, comunque ti farò sapere più tardi se procede tutto bene! Grazie per l’interessamento, Stefano, sempre molto gentile!
    saluti!

  11. @vito
    è una differenza piccola piccola, che noti se ti ricordi come erano rappresentati “prima” i pianeti e le loro orbite…
    Vabbè svelo il segreto! Nel disegnare oggetti e orbite ora ho aggiunto l’antialiasing, che fa sì che il disegno stesso viene “addolcito” e non più decisamente spezzettato.
    L’effetto che si nota di più è nei pianeti! Finalmente sono dei cerchietti e non più quadratini!
    Tecnicamente questo accade perché l’antialiasing di Java agisce al 100% su oggetti tipo cerchi, ovali, linee diagonali (disegnati con funzioni primitive) ed un po’ meno su oggetti, come le orbite, disegnate per tratti, pezzo a pezzo: ogni tratto è addolcito, ma nelle giunzioni dei vari tratti non lo è…
    Questa è una limitazione di Java… che comunque funziona egregiamente.
    A proposito, se guardi il primo disegno dell’articolo sull’eclissi del 15 gennaio 2010, vedrai che il dischetto del sole e della luna sono quasi perfetti (infatti sono disegnati con la funzione “drawOval”, soggetta dunque all’antialiasing), mentre tutte le altre curve sul mappamondo sono solo un pochetto più addolcite perché costruite punto a punto…
    Scusa se ho riempito la risposta di termini molto tecnici… 😳

  12. @pierluigi
    ahhh è verissimo!
    complimenti di nuovo pierluigi, e grazie per la preziosa spiegazione “tecnica”, ogni volta che rispondi mi fai apprendere qualcosa di nuovo! d’ora in avanti ogni volta che vedrò una rappresentazione simulata di qualunque cosa mi chiederò se è stato usato o no l’antialiasing!
    saluti!

  13. Scusa Pier mi ero perso una cosa…non avevo capito (ho letto con gli occhi e non con il cervello) che l’antenna fosse solidale! Continuavo a capire che l’antenna venisse di proposito ripuntata verso le stelle per un qualche motivo! Mi ero perso il particolare che per ruotare l’antenna bisogna ruotare tutto il telescopio….tutto chiaro ora, grazie!

  14. si è vero dopo quant,anni dalla prima volta sulla luna per ritornarci sembra che il procedimento è piu complicato di prima———————-la faccenda di aver trovato un poco di ghiaccio sommerso s,è dovuto attendere quarant,anni–sinceramente esprimo una mia opinione gli scenziati nel passato sono stati ostacolati da intrusi venuti da altrove, localizzatosi per anni sul suolo lunare,attualmente dopo avere studiato la terra e lo spazio circostante con la loro tecnologia avanti da noi di ben 2000anni, se ne stanno andandosene—–infatti in mezzo a noi nel nostro vivere hanno dimostrato con i loro oggetti extraterresti volanti e solidi, ci hanno fatto vedwere tutta la loro tecnologia invasiva con attimo per attimo della loro presenza….ecco perchè la NASA non e tornata sulla luna—-.antonio —

  15. Su dai, si capisce benissimo cosa intendesse dire… bisogna poi vedere se ci si crede o si condivide.

    Personalmente credo nell’esistenza di vita extraterrestre (altrimenti come disse Einstein “che gran spreco di spazio”) e ritengo plausibile che ALCUNI oggetti POSSANO (notare il condizionale) essere di origine non terrestre ma non ritengo plausibile la storia delle basi lunari aliene.

  16. il fatto e’ che non c’entra nulla con il topic dell’articolo. Per un commento fuori topic ne sono arrivati altri 4. Alieni o non alieni, vi prego di rientrare in carreggiata 😉

  17. ad esempio parliamo di questa sonda meravigliosa!!!
    a me piace in particolare il telescopio da 1.4 metri, con tutti quei meravigliosi sensori CCD. Fantastico!

  18. @ Pier
    Me l’avevi accennato che stavi preparando un articolo sulla Keplero con i contro…fiocchi… Ma mai mi sarei aspettato una festa di dettagli come questa!!!
    Grazie mille per la splendida spiegazione e che dire… Bel gioiellino! 😯
    Speriamo che nei prossimi anni ci riservi molte sorpresa! Mi sento di essere ottimista e son proprio sicuro che non deluderà le aspettative!!! 😛

    Più che altro sarà in grado di rilevare SOLO le occultazioni di pianeti simili alla terra? No vero? Potrebbe rilevare il transito di un gigante gassoso ma non verrebbe considerato nell’ottica della missione, che prevede di ricercare esopianeti terra-simili, dal fatto che non determinerebbe successive occultazioni in un tempo pari a dopo più di anno..? Se non ho capito male…
    Inoltre, una stella più massiva del sole non comperterebbe un’orbita planetaria più stretta (sempre paragonando pianeti simili) quindi un periodo orbitale minore..? Keplero è in grado di discriminare tutte queste variabili??
    Se è cosi… Complimenti agli ingegneri NASA!!!
    Forse non sono stato molto chiaro ma grazie mille in anticipo!!! :mrgreen:

    Ps. Solo ora ho notato che sono arrivato in ritardo alla lettura dell’articolo, che delusione… Non l’avevo notato, ultimamente guardavo solo le news!!! 😥