Dal sistema solare alla Via Lattea e oltre: l’ESA approva due nuove missioni in partenza negli anni ’30

Il 25 gennaio si è riunito per la 175esima volta il Science Programme Committee o SCP, il corpo dell’Agenzia Spaziale Europea costituito nel 1975 con lo scopo di vagliare i progetti che l’ESA, fondata il 30 maggio dello stesso anno, avrebbe perseguito.

Questa recente riunione ha visto due missioni passare nello stato di adopted. Significa che, dopo alcuni anni di valutazioni sulla loro fattibilità e il valore scientifico, l’ESA riconosce la qualità del progetto e dà il via libera per proseguire la costruzione degli strumenti e del veicolo spaziale.

Le due missioni approvate sono EnVision e LISA.
La prima è progettata per studiare Venere e la seconda è un triplo osservatorio per rilevare le onde gravitazionali. Vediamo le due sonde un po’ nel dettaglio.

EnVision

La sonda EnVision, a guida ESA ma con significativi contribuiti da parte della NASA, sarà la prima missione di esplorazione di Venere che indagherà il pianeta dal nucleo sino all’atmosfera. L’obiettivo è aggiungere elementi per comprendere la natura del vicino della Terra e perché, nonostante le grandi similitudini fisiche come dimensioni, composizione e distanza dal Sole, i due pianeti siano così diversi tra loro. EnVision è la quinta sonda del piano decennale (2015-2025) Cosmic Vision istituito dall’ESA.

In un certo momento della storia del sistema solare, l’evoluzione della Terra e di Venere hanno iniziato a divergere drammaticamente. Attualmente lo bel pianeto, come fu appellato nel Purgatorio dantesco, è decisamente troppo caldo per trattenere acqua allo stato liquido sulla sua superficie, ma si pensa che prima di innescare un effetto serra fuori controllo abbia avuto un clima non troppo diverso da quello terrestre. Analizzare Venere offre quindi un ottimo laboratorio per comprendere l’evoluzione dell’abitabilità sui mondi rocciosi del sistema solare.

Tra gli strumenti a disposizione di EnVision spicca una coppia di radar. Il primo sarà il Subsurface Sounding Radar (SRS), fornito dall’Agenzia Spaziale Italiana, che penetrerà nei primi chilometri del sottosuolo cercando stratificazioni sotterranee e i confini sepolti delle placche tettoniche.
Il secondo strumento è VenSAR, un radar ad apertura sintetica fornito dalla NASA che mapperà la superficie di Venere utilizzando diverse modalità, tra cui l’imaging a risoluzioni spaziali comprese tra 10 e 30 metri, altimetria, polarimetria e radiometria. VenSAR produrrà immagini 10 volte più dettagliate di quelle catturate dalla sonda Magellan che esplorò Venere nella prima metà del decennio ’90.

La sonda integrerà poi tre spettrometri (VenSpec-U, VenSpec-H e VenSpec-M) operanti nell’ultravioletto e nell’infrarosso i quali cercheranno tracce di gas, inclusi pennacchi vulcanici, sopra e sotto le nuvole, mappando inoltre la composizione della superficie. I tre spettrometri sono forniti rispettivamente da DLR, BelSPO e CNES.
Sarà inoltre presente un esperimento radio per mappare il campo gravitazionale del pianeta e misurare le proprietà atmosferiche.

Con partenza prevista nel 2031 a bordo di un razzo Ariane 6, EnVision non sarà sola nei suoi anni di esplorazione in quanto la NASA punta a lanciare, tra il 2028 e il 2030, ben due missioni verso Venere. Si tratta di DAVINCI+ (Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging) e VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy).
Insieme, le tre sonde indagheranno aspetti diversi del pianeta e ci forniranno la più approfondita conoscenza del gemello della Terra che abbiamo mai avuto.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna)

È da svariati anni che gli astronomi hanno a disposizione strumenti per la rilevazione delle onde gravitazionali. Gli apparati impiegati sono dei sofisticati interferometri, dispositivi basati sull’uso di laser in grado di rilevare variazioni spaziali nell’ordine di miliardesimi di miliardesimi di millimetro (vale a dire dimensioni tre ordini di grandezza inferiori rispetto al raggio del protone).

Tra gli osservatori attualmente operativi ce n’è anche uno in Italia, a Cascina in provincia di Pisa, chiamato VIRGO. Osservatori cosiddetti di seconda generazione come VIRGO, la coppia LIGO negli USA e il giapponese KAGRA lavorano per mezzo di due tunnel orientati a 90° l’uno con l’altro e lunghi circa 3 km. Gli interferometri  funzionano, come il nome suggerisce, tramite l’analisi dell’interferenza o interazione tra i fasci laser che percorrono i due tunnel.

Quando enormi masse orbitano tra loro a velocità relativistiche generano un disturbo che si propaga nel tessuto dello spazio-tempo tramite onde gravitazionali. Tale disturbo viaggia per distanze cosmiche e quando arriva sulla Terra interagisce con i due bracci dell’interferometro in modo differente in base alla direzione di propagazione, stirando e comprimendo un tunnel più dell’altro. Questo variazione fisica del percorso del laser, infinitesima ma prevista dalla relatività e, come detto, nell’ordine dei 10^-18 metri, disturba la precisissima interazione tra i fronti d’onda del laser modificando la loro interferenza e dando luogo alla rilevazione dello sfuggente fenomeno fisico delle onde gravitazionali.

Ma gli interferometri terrestri hanno una limitazione: la loro dimensione condiziona direttamente il periodo delle onde che possono misurare. VIRGO e compagni possono “percepire” solo onde gravitazionali con lunghezza comparabile alla dimensione dei loro bracci, ovvero circa nell’ordine del km.
Lo studio dell’elettromagnetismo ci insegna che la lunghezza d’onda è inversamente proporzionale al periodo e direttamente proporzionale alla velocità di propagazione ( λ = v/f ).

Nota la velocità di propagazione dell’interazione gravitazionale (pari alla velocità della luce) questo ci porta a comprendere che gli attuali interferometri terrestri sono sordi a onde gravitazionali con frequenza inferiore a un Hz le quali hanno lunghezze d’onda (la distanza tra due fronti consecutivi) superiori ai 3 km. Attualmente ci stiamo perdendo fenomeni a bassa frequenza quali l’unione di corpi straordinariamente massivi come le nane bianche o interazioni che coinvolgono buchi neri supermassici.

È come cercare di misurare l’altezza di una montagna con un righello, non si può fare.
La soluzione è dotarsi di uno strumento di misura, ovvero di bracci, molto più lunghi: qualche milione di km, ed è qui che nasce l’idea della missione LISA.

LISA non è un singolo veicolo spaziale, ma una costellazione di tre. Seguiranno la Terra nella sua orbita intorno al Sole, formando un triangolo equilatero estremamente preciso nello spazio. Ciascun lato del triangolo avrà una lunghezza di 2,5 milioni di km (più di sei volte la distanza Terra-Luna), e i veicoli spaziali si scambieranno fasci laser su questa distanza.

All’interno di ciascun veicolo spaziale si trovano due cubi dorati in sospensione libera, denominati masse di prova (test-masses).
Quando un’onda gravitazionale transita, le distanze tra le masse di prova si contraggono ed espandono modificando anche le distanze percorse dai fasci laser nell’ordine di pochi miliardesimi di metro. È così che LISA sarà in grado di rilevare le onde gravitazionali e di determinare la loro provenienza.

La missione LISA sarà costruita sulle basi di LISA Pathfinder che nel 2015 ha dimostrato che le masse di prova possono essere mantenute in moto in uno stato in cui sono soggette solo alla gravità: le test-mass non toccano il veicolo spaziale, fluttuano al suo interno. Ciascun satellite ha il compito importante di assicurarsi che nulla, oltre alla geometria dello spazio-tempo stesso, influisca sulle masse in caduta libera.

La missione sarà progettata per catturare le previste vibrazioni gravitazionali dei momenti iniziali del nostro Universo e offrire una visione diretta dei primissimi secondi dopo il Big Bang. Inoltre, poiché le onde gravitazionali recano con sé portano informazioni sulla distanza degli oggetti che le hanno emesse, LISA aiuterà i ricercatori a misurare la variazione dell’espansione dell’Universo con un diverso tipo di riferimento rispetto alle tecniche utilizzate da Euclid e altri rilevatori, convalidando i loro risultati.

Più vicino a noi, nella nostra galassia, LISA rileverà molte coppie di oggetti compatti in fusione offrendoci una visione unica delle fasi finali dell’evoluzione di nane bianche e stelle di neutroni. Individuando la loro posizione e distanza, LISA approfondirà la nostra comprensione della struttura della Via Lattea, ampliando le scoperte della missione Gaia dell’ESA.

L’inizio della costruzione dei tre satelliti che costituiranno LISA è prevista nel gennaio del 2025 quando sarà stato scelto un appaltatore industriale europeo.
Appuntamento con il lancio dei tre veicoli spaziali nel 2035, ancora una volta a bordo di un razzo Ariane 6.

Fonti:
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/We_re_heading_for_Venus_ESA_approves_EnVision
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Capturing_the_ripples_of_spacetime_LISA_gets_go-ahead
https://www.nasa.gov/news-release/nasa-selects-2-missions-to-study-lost-habitable-world-of-venus/