Martedì 30 Maggio 2017
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Una cascata di "propellers"

Le immagini più dettagliate dell'anello A mostrano una moltitudine di "eliche" provocate da mini-lune che perturbano il materiale circostante. Leggi tutto

LA MISSIONE DI GAIA (quarta parte)

Gaia - rappresentazione artistica
Gaia - rappresentazione artistica Credits: ESA/ATG medialab; background image: ESO/S. Brunier Gaia Artist's Impression

La missione GAIA è una delle più ambiziose nel campo dell'astronomia spaziale ed è interamente europea, con un forte contributo italiano. Vediamo come è nata e come sta procedendo, dopo il lancio del 19 dicembre...

Nella precedente puntata abbiamo visto come è fatta GAIA e quali sono i suoi obiettivi principali. In realtà, le ricadute di questa missione coinvolgeranno buona parte dell'astrofisica, toccando anche temi di estrema attualità come la ricerca di pianeti extrasolari.

In questa ultima puntata, vedremo quali sono le implicazioni previste e accenneremo brevemente allo stato attuale della missione.

Oltre alla conoscenza diretta della popolazione stellare nella Via Lattea, sia in termini di distribuzione che di proprietà fisiche ed evoluzione, Gaia permetterà grandi progressi nello studio degli asteroidi, dei pianeti extrasolari, delle stelle variabili, delle stelle doppie, dell'evoluzione galattica, della scala delle distanze, delle galassie a noi vicine, dei quasar e degli effetti previsti dalla relatività generale (compreso il "microlensing"). Vediamo un paio di esempi.

GAIA e i pianeti extrasolari

Negli anni '60 l'astronomo olandese P. Van de Kamp annunciò di avere scoperto l'effetto della perturbazione gravitazionale dovuta ai pianeti in orbita alla stella di Barnard; in effetti, sia le stelle che i loro pianeti orbitano attorno al comune centro di massa e questo movimento dovrebbe provocare delle oscillazioni regolari nel moto proprio della stella. Questa presunta scoperta indiretta del primo sistema planetario esterno al nostro fu poi confutata, ma il principio è valido e una sua variante, basata sulla perturbazione alla velocità radiale ovvero al moto longitudinale anzichè trasversale alla linea di vista, è stata poi realmente utilizzata per scoprire i primi veri sistemi planetari, circa 20 anni fa. A questo metodo si è poi aggiunto quello dei transiti stellari (la missione Kepler ne è l'esempio più famoso), ma l'idea originale di Van De Kamp potrebbe diventare davvero uno dei sistemi più fruttuosi grazie a GAIA! 

Moto apparente

Nel grafico qui sopra (tratto dall'articolo di Perryman, vedi sitografia alla fine) è simulata la traiettoria di una stella soggetta alla combinazione di 3 moti: moto proprio (linea a tratti lunghi) + parallasse annuale (linea finemente tratteggiata) + perturbazione a opera di un pianeta (linea contina); la posizione del pianeta in varie epoche è evidenziata dai cerchietti vuoti. Grazie all'elevata precisione e alle frequenti osservazioni, Gaia dovrebbe essere in grado di rivelare svariate migliaia di pianeti attorno alle stelle più vicine (entro 200 pc) e migliorare la conoscenza di altrettanti di pianeti già noti.

GAIA e la relatività

Il famoso effetto di deviazione dei raggi luminosi, previsto da Einstein ed effettivamente osservato da Sir Arthur Eddington, nel sistema solare è stato finora osservato solo nei pressi del Sole. Ebbene, Gaia dovrebbe essere capace di rivelarlo anche dietro ai pianeti e alla Luna, come evidenziato nella seguente mappa simulata; la macchia più grande è dovuta alla gravità della Terra, quella immediatamente a sinistra è Giove mentre quella più a destra Saturno. Si noti che l'effetto del Sole è stato cancellato perchè, essendo molto più grande anche a grande distanza angolare, avrebbe cancellato gli altri (il Sole, visto da Gaia, è sempre prospetticamente vicino alla Terra).

Gaia

Credits : Jos de Bruijne (vedi sitografia alla fine)

Dopo la formulazione della Relatività Generale, altri hanno elaborato una famiglia di teorie alternative e molte di esse sono compatibili con le osservazione finora effettuate. In particolare, esse differiscono per un insieme di parametri (Parameterized Post Newtonian o PPN) e due di questi parametri verranno stimati con precisione grazie alle misure di parallasse di Gaia. Il parametro β misura il grado di linearità nella sovrapposizione dei campi gravitazionali mentre γ si riferisce al grado di curvatura dello spazio-tempo e, di conseguenza, all'angolo di deviazione della luce da parte della gravità del Sole. La precisione attesa nella determinazione di quest'ultimo parametro è dell'ordine di 1·10-6, circa 5 volte inferiore alle migliori misure attuali e sufficiente per scartare (o convalidare) alcune delle teorie alternative tuttora valide.

GravitationPPN

Geometria dell'effetto di parallasse e della deviazione relativistica della luce osservate da Gaia, in funzione della distanza angolare dal Sole. Credit: ESA - DPAC

Il viaggio di Gaia

Dopo il lancio dalla base europea di Kourou, Gaia si è diretta verso la sua destinazione, il "punto di librazione lagrangiana" L2. Nella teoria che descrive il moto di un corpo attorno a un altro molto più massiccio (Terra e Sole, nello specifico), questo è uno dei 5 punti in cui un un terzo corpo di massa trascurabile può rimanere in equilibrio stazionario, più o meno stabile, rispetto agli altri due. Il punto L2, in particolare, è situato sul prolungamento del segmento Sole-Terra, a circa 1.5 milioni di km da quest'ultima. Si tratta di una posizione decisamente remota, circa 4 volte la distanza della Luna, ma che consente una eccellente stabilità termica e meccanica, necessaria per il lavoro di Gaia. Nella stessa regione, in passato, hanno lavorato i satelliti per lo studio del fondo cosmico di microonde (missioni WMAP e PLANK) e anche il telescopio infrarosso europeo Herchel. Dopo un mese di viaggio, Gaia è giunta a destinazione e ha cominciato a disegnare delle ampie "orbite" attorno a questo punto di equilibrio; questo le evita di entrare nel cono di penombra, in cui il Sole apparirebbe eclissato parzialmente dalla Terra. Solo così si riescono a garantire condizioni di illuminazione e di temperatura stabili, cosa necessaria per avere una costante produzione di energia dai pannelli solari e, soprattutto, una elevata riproducibilità e affidabilità delle misure.

trip 

Ultimi sviluppi (e problemi) della missione

Essendo il punto L2 decisamente lontano dalla Terra, un eventuale malfunzionamento di Gaia potrebbe avere un impatto catastrofico sulla missione poichè non sarebbe possibile raggiungerla con una navetta spaziale come si è fatto più volte col telescopio Hubble, situato in orbita bassa. In effetti, durante la fase iniziale di "commissariamento" dello strumento, in cui si verifica il corretto funzionamento di tutti i componenti, si sono scoperti alcuni problemi tecnici ma, per fortuna, nessuno di essi è tale da compromettere seriamente la missione.

Il problema più serio riguarda un eccesso di "chiarore diffuso" che raggiunge i sensori nel piano focale; a quanto pare, si tratta di una "infiltrazione" di luce, in parte proveniente dal Sole (nonostante l'enorme parasole di 10m, dispiegato poco dopo il lancio) e in parte da altre sorgenti celesti luminose; un ruolo fondamentale nella diffusione di questi raggi lo gioca un accumulo di ghiaccio nella parte superiore del rivestimento termico, il "soffitto" del satellite. Purtroppo, nessuno aveva previsto un simile problema e in quella zona non sono installate le resistenze elettriche che potrebbero aiutare a sciogliere il ghiaccio (come invece si è fatto per le ottiche). Per risolvere il problema, è stato proposto di cambiare l'assetto di Gaia e far entrare la luce diretta del Sole, in modo da sublimare il ghiaccio; l'operazione però è stata considerata troppo rischiosa e di esito dubbio, quindi annullata.
Anche se ci si sta ancora lavorando, il problema è serio ma non è drammatico: l'aumento di rumore nelle misure (dovuto alla mancanza di buio totale) andrà comunque ad impattare solo la precisione delle misure sulle stelle più deboli; ad esempio, si stima che la precisione astrometrica su una stella di tipo solare di magnitudine 20 peggiorerà del 50%, passando da 0.29 a 0.43 mas. La precisione delle misure fatte invece su stelle relativamente luminose non cambierà in modo sostanziale (25 μsec per la magnitudine 15) e questo garantirà il successo di molte indagini di importanza critica... di sicuro, però, l'accuratezza della prevista "mappa tridimensionale" della Via Lattea ne risentirà, soprattutto nella porzione più lontana; anche la misura di velocità radiale sarà possibile solo su stelle 4 volte più luminose rispetto al previsto, dimezzando così la distanza raggiungibile.

Questo inconveniente, unito a qualche altro problema di importanza minore, ha allungato la durata della fase di commissariamento rispetto alle previsioni; comunque, a partire dalla fine di Agosto, Gaia ha iniziato la sua attività di routine scientifica. Adesso sta osservando qualcosa come 40 milioni di stelle ogni giorno e nel primo mese di osservazioni ha già permesso di scoprire una supernova.

Il satellite continuerà a scansionare il cielo per almeno 5 anni e il catalogo definitivo che ne scaturirà verrà pubblicato dopo il 2020; tuttavia, i primi cataloghi provvisori verranno resi pubblici tra pochi anni e, ne possiamo stare certi, molte scoperte arriveranno anche prima! 

Riferimenti:
http://www.cosmos.esa.int/web/gaia/science-topics
http://arxiv.org/abs/1209.3563 

http://blogs.esa.int/gaia/2014/06/16/preliminary-analysis-of-stray-light-impact-and-strategies/

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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