Le sonde spaziali in 3D : la Lucy

Siamo arrivati al settimo appuntamento con le sonde spaziali da visualizzare in 3D. Questa puntata rappresenta in pratica la seconda parte dell’articolo di Antonio Piras “Parte Lucy, la missione NASA verso gli asteroidi troiani“, apparso pochissimi giorni fa tra le Notizie Flash del sito e che trovate qui.

Avete perso qualche puntata della serie “Le sonde spaziali in 3D” ? Poco male, qui riporto l’elenco completo con i link alle rispettive pagine:

• la Bepi Colombo
• la Hayabusa2
• la OSIRIS Rex
• la New Horizons
• la Parker Solar Probe
• la Solar Orbiter (SOLO)

Rispetto a tutte le sonde di cui ho parlato nel corso degli anni (a partire dal 2018), la sonda Lucy è di gran lunga la più affascinante e quella che ha richiesto uno studio davvero importante da parte dei tecnici della NASA.

Tutte queste sonde le ho scelte perché per raggiungere la loro meta hanno sfruttato e sfruttano anche adesso ed in futuro la tecnica dei Gravity Assist (nel seguito GA)  di cui ho parlato più volte: in breve, visto che l’argomento è molto complesso, si tratta di far loro percorrere una traiettoria che va a sfiorare un pianeta, ricevendo una spinta, un’accelerazione, naturale, senza bisogno di consumare prezioso propellente.

Si parla anche di effetto fionda e nel caso della Lucy saranno tre incontri successivi con la Terra a modificare l’orbita in modo opportuno e ingegnoso: come in altre situazioni, il GA permetterà alla sonda Lucy di cambiare innanzitutto la propria velocità (e perciò la forma della sua orbita) ma in questo caso anche l’inclinazione del piano della sua orbita.

In generale possiamo infatti dire che una qualunque sonda, una volta lanciata, percorre la propria orbita lungo un piano che è proprio quello dell’eclittica, cioè quello dell’orbita della Terra intorno al Sole. Se poi deve incontrare degli oggetti che hanno un’inclinazione orbitale grande, come vedremo nel caso della Lucy, il metodo più semplice è quello di fornirle una spinta grazie ad un GA.

Un po’ di storia della Lucy

Sono parecchi anni che se ne parla di questa fantastica sonda, almeno dal 2016 e da allora ho cercato di informarmi il più possibile non tanto sul significato del nome o sulla strumentazione che ha a bordo, perché della Lucy mi ha subito intrigato il viaggio che i diabolici scienziati della NASA avevano progettato.

Scordatevi i film di fantascienza, dove per raggiungere un certo obiettivo l’astronave viene lanciata sparata e diretta verso la meta, come ad esempio succede in Star Trek, tanto per fare un esempio (in questo articolo ne parlo) : si tratta di una manovra dispendiosissima in termini di consumo del prezioso propellente, ma agli sceneggiatori dei film poco importa!

Il rovescio della medaglia è che i tempi di percorrenza delle traiettorie per raggiungere l’agognata meta si allungano di parecchio, visto che di solito si fanno parecchi giri nel Sistema Solare: la cosa più importante è, non dimentichiamocelo, che le distanze in gioco sono sempre molto grandi.

Tutte le sonde spaziali lanciate negli anni scorsi hanno impiegato sempre parecchi anni per raggiungere il proprio obiettivo: ricordo ad esempio la Galileo verso Giove, le due Voyager verso i pianeti esterni, la Cassini verso Saturno, la New Horizons verso Plutone ed oltre, la Bepi Colombo verso Mercurio, altre sonde verso il Sole, la Rosetta verso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko,  fino alle più recenti verso gli asteroidi Bennu e Itokawa.

L’obiettivo da raggiungere da parte della Lucy sono alcuni asteroidi che viaggiano in prossimità di Giove, alcuni prima ed altri dopo, lungo la sua orbita: raggiungerli non è un compito banale ed ha richiesto un lungo studio da parte dei tecnici della NASA.

La traiettoria della sonda Lucy

Fin dall’inizio, il diagramma principale che vorrebbe spiegare il percorso seguito dalla Lucy è inutilmente molto complicato e innaturale, dato che, come riportato in alto a fianco a Giove, si tratta di un “Frame rotating with Jupiter“: oltre ad essere complicato nella teoria, è quanto di più anti-intuitivo si possa immaginare per spiegare la traiettoria di una sonda.

Dopo qualche anno finalmente il sito della NASA ha proposto un’animazione che viceversa è un po’ più comprensibile e fa capire meglio tutti i giri che compie la Lucy fino all’orbita di Giove: la trovate nell’articolo di Antonio.

Ma è in 2D !

Le mie animazioni

In tutti i miei articoli mi sono sempre avvalso di un programma creato dal sottoscritto, che permette di seguire le evoluzioni delle sonde attraverso il Sistema Solare, in modo interattivo e soprattutto in 3D: mentre seguiamo l’orbita di una certa sonda (perché abbiamo premuto il tasto “play“) possiamo modificare il nostro punto di vista tridimensionale spostandoci qua e là nello spazio nelle tre dimensioni x, y e z, zoomando o allontanandoci dal Sole.

I comandi sono sempre i soliti ed intuitivi, sia su PC per mezzo del mouse e della rotella per zoomare, sia su un tablet (scordatevi un cellulare, a meno di non utilizzare un microscopio!) stavolta con le solite mosse fatte con le nostre dita.

Così come avevo fatto per le altre sonde, per la Lucy mi sono avvalso dei dati forniti dal sito HORIZONS del JPL/NASA, dati che hanno reso disponibili solo recentemente e con una nuova versione del sito.

Come sempre non è stata certo una passeggiata, dato che l’argomento è molto ostico ed il sito che fornisce i dati è giustamente abbastanza difficile da utilizzare, ma sappiate che una volta scaricati i dati ed inseriti nel programma (dove già c’erano tutti gli altri oggetti celesti coinvolti, in attesa della Lucy!), nel giro di 10 minuti ho ottenuto la versione finale che fra poco vi proporrò!

Scopo della missione Lucy

Sempre dal punto di vista della Maccanica Celeste, in termini di oggetti da sorvolare e di traiettorie per passare da uno all’altro, con parametri orbitali differenti, la missione della Lucy prevede il sorvolo di 5 asteroidi del gruppo dei Greci (Eurybates, col satellite Queta, Polymele, Leucus e Orus) che si trovano nei pressi del punto Lagrangiano L4 dell’orbita di Giove: sono appena 5 di 6506 asteroidi (alla data del 27 settembre 2021) che precedono Giove lungo la sua orbita.

Successivamente la Lucy incontrerà l’asteroide Patroclus (accompagnato da Menetius) che viceversa stanno nel gruppo di 4006 asteroidi Troiani situati nei pressi di L5, che inseguono Giove nella sua orbita.

Quindi in totale 7 asteroidi, ma non basta: lungo il percorso di avvicinamento ad L4, la sonda avrà già effettuato l’incontro con l’asteroide 52246 Donaldjohanson.

Dal punto di vita della meccanica orbitale si tratta di 8 oggetti che orbitano intorno al Sole su piani orbitali variamente inclinati: invece di sciorinare una tabella piena zeppa di numeri e dati, preferisco passare al programma 3D, dal momento che un’immagine vale più di 1000 parole e un filmato vale più di 1000 immagini!

Il programma 3D

Come di consueto, per lanciare il programma in un’altra pagina del nostro browser, basta cliccare o toccare questa immagine

con il che potrete iniziare a volteggiare tra i pianeti, gli asteroidi e … Lucy.

Come in tutte le altre puntate, il programma è in pratica un visualizzatore della traiettoria della Lucy, la cui posizione è memorizzata in un’apposita struttura di dati: basta premere il tasto Play per iniziare appunto il viaggio.

In corrispondenza delle tappe fondamentali (incontri con la Terra per i GA e con gli 8 asteroidi) la simulazione si ferma per mostrare l’evento: ovviamente si riprende il percorso premendo di nuovo Play.

In qualunque momento ci si può spostare nello spazio e zoomare in più o in meno la scena, come pure si può fermare la riproduzione (Stop) e riprenderla passo passo (Step). Il passo temporale che applichiamo è di 5 giorni: vedremo così la Lucy muoversi nello spazio con la sua posizione rinnovata ogni 5 giorni.

Un suggerimento che do è di far partire la simulazione senza toccare lo schermo in modo da vedere il tutto in 2D, ottenendo un filmato proprio come il secondo dell’articolo di Antonio: a riprova che il programma è corretto così come lo sono i dati che utilizza…

Subito dopo rilanciamo il programma e divertiamoci a spostare il nostro punto di vista mentre la Lucy corre nello spazio: è qui che si compie la magia e potremo toccare con mano il fatto che ad ogni GA la Lucy cambia anche la sua inclinazione.

Il perchè ci sia bisogno di questa inclinazione appare subito chiaro: gli asteroidi viaggiano come detto in orbite inclinate e la genialità dei progettisti della NASA è stata quella di aspettare che gli asteroidi raggiungessero un punto abbastanza vicino al nodo della propria orbita, senza doverli andare a rincorrere in zone lontane dall’eclittica.

Spettacolare è la traiettoria della Lucy quando, verso la fine della simulazione (dopo il terzo GA con la terra), si avvicinerà alla coppia Patroclus Menetius: la coppia di asteroidi viaggia da sotto l’eclittica verso latitudini positive, mentre la Lucy si avvicina stando già sopra all’eclittica.

Come passa la Lucy da L4 ad L5?

In un modo geniale: la Lucy percorre la sua orbita ellittica ad alta eccentricità e quando si trova al suo afelio potrà raggiungere il gruppo di asteroidi di L4.

Poi tornando indietro verso il Sole e la Terra, impiegherà un bel po’ di tempo, durante il quale, osservate bene, Giove e tutti i suoi Troiani si spostano lungo l’orbita.

Quando la Lucy tornerà una seconda volte dalle parti di Giove, non troverà più gli asteroidi di L4, che nel frattempo si sono allontanati, non troverà nemmeno Giove che avrà percorso un altro arco di orbita, ma troverà proprio L5 con la coppia binaria di asteroidi ad attenderla!

Mi ripeto ancora una volta: il tutto è davvero geniale!

Uno sguardo al futuro

Siamo nello spazio, che ricordo essere più vuoto che pieno di materia (asteroidi, pianeti, o semplici polveri), quindi è immaginabile che la Lucy potrà percorrere indisturbata la propria orbita ellittica per un tempo stimato anche di milioni di anni, ogni tanto incontrando L4, L5 oppure sua maestà Giove.

Mi è pure venuta l’idea che i diabolici tecnici della NASA abbiano perfino fatto in modo che la Lucy non possa mai incontrare Giove, per non venirne attratto dalla fortissima gravità e finendo distrutta tra le sue nubi… Un’ipotesi potrebbe essere proprio l’alta inclinazione del piano orbitale, in corrispondenza dell’afelio, chissà…

E se fra mille, diecimila o centomila anni qualcuno (anche noi terrestri in viaggio nello spazio, se non addirittura entità non umane, chissà) avrà la ventura di incrociare questo manufatto per nulla invecchiato e si domanderà di cosa si tratti, troverà una bella targa che dovrebbe spiegare chi e cos’era la Lucy.

Un po’ come è stato fatto con altre sonde tipo Voyager, Pioneer e New Horizons, in questo caso sono riportate in inglese frasi da libri, canzoni, detti proverbiali oltre alla rappresentazione dell’orbita della Lucy fra i pianeti.

Allora cosa aggiungere? Buon viaggio, Lucy, incrociando le dita!

Post Scriptum

L’argomento mi piace davvero tanto e ci sarebbe come sempre parecchio da aggiungere: ad esempio analizzare meglio le traiettorie in 3D, una lettura ragionata degli scritti nella piastra, qualche altro calcolo matematicissimo, analisi delle traiettorie di altre sonde, ecc

Ma non voglio appesantire ulteriormente questo articolo già abbastanza complesso.

Potrebbe perciò nascere la possibilità di una seconda parte, per parlare di questi ed altri argomenti eventualmente posti dai nostri amici appassionati nel Forum.

Interattivo è il programma, ma può esserlo anche l’articolo.