Il satellite europeo Gaia orbita attorno al punto di librazione lagrangiana L2, a 1,5 milioni di km dalla Terra in direzione opposta al Sole; in questa posizione non ci sono praticamente detriti spaziali di origine artificiale, fonte continua di minacce per satelliti molto più vicini alla Terra come la ISS. Tuttavia, Gaia è comunque esposta ad un flusso di meteoridi ad alta velocità. Un impatto con uno di questi oggetti può disturbare momentaneamente l'orientamento del veicolo e l'energia liberata può deformarne la struttura e riscaldarla localmente; nel caso peggiore, per fortuna raro e mai verificatosi finora, l'osservatorio astrometrico può venire danneggiato o distrutto.
Per svolgere la sua missione astrometrica, Gaia è dotato di sensori estremamente sensibili per misurare il suo assetto e il suo movimento; perciò, anche minime deviazioni causate dall'urto di un micrometeoroide vengono rilevate in pochi secondi e corrette tramite il sistema di propulsori a "gas freddo" per il controllo fine dell'assetto. La figura qui sopra mostra la coppia di forze applicata per correggere l'urto del meteoroide in questione nelle tre direzioni ortogonali (X,Y,Z).
Alcune informazioni sulla direzione di provenienza del meteoroide possono essere estratte da questi dati ma, se non si conosce il punto in cui l'urto è avvenuto, non è possibile ricavare la forza perché la lunghezza del braccio della leva è sconosciuta. Tuttavia, Gaia è dotata anche di numerosi sensori di temperatura; se il punto di impatto è sufficientemente vicino a uno di questi sensori, gli effetti dell'impatto sono rilevabili come piccoli aumenti di temperatura sincronizzati con i disturbi assetto. La figura seguente mostra la variazione di temperatura, misurata sul parasole Gaia (DSA), sempre a causa dello stesso meteoroide. Come si vede, immediatamente dopo l'urto, la temperatura ha cominciato a salire e, in meno di 2 ore, l'aumento ha raggiunto un valore di 0.25 Kelvin per poi scendere gradualmente ai valori precedenti nell'arco di circa 15 ore.
Credits: ESA / Gaia-CC BY-SA 3.0
Gli impatti rilevati anche dai sensori di temperatura sono interessanti perché forniscono maggiori informazioni circa la loro natura. In primo luogo, poiché la posizione del sensore di temperatura è nota, è possibile dedurre la lunghezza del braccio e permettere il calcolo del vettore forza che ha originato la coppia; inoltre, è possibile fare una stima grossolana dell'energia liberata nell'impatto e quindi anche sulla velocità e le dimensioni del meteoride. I sensori di temperatura sul DSA sono montati in una scatola termicamente isolata costituita da 350 g di alluminio con un calore specifico di 1 kJ/(kg·K). Riscaldare questo componente di 0,25 K richiede dunque 84 J di energia e questo costituisce il limite inferiore della energia cinetica dell'impattatore poichè l'efficienza della conversione in calore è sconosciuta. Per confronto, questa energia è circa metà di quella di un proiettile calibro 22 quando lascia la canna di un fucile; dunque, è come se qualcuno avesse sparato a Gaia!
I meteoroidi sono noti provenire per lo più da comete e di recente la sonda dell'ESA Rosetta ha fornito immagini spettacolari di grani di polvere che si separano dalla cometa 67P Churyumov-Gerasimenko. Dopo l'espulsione dalla cometa, queste particelle di polvere continuano ad orbitare intorno al Sole seguendo approssimativamente la stessa orbita del progenitore. Il meteoroide che ha colpito Gaia potrebbe essere speciale, perché si è verificato il 18 agosto, 2015, entro il periodo dell'anno in cui la Terra, e di conseguenza Gaia, attraversa lo sciame meteorico delle Perseidi, le famose "lacrime di S.Lorenzo". I meteoroidi Perseidi sono stati espulsi dalla cometa 109P Swift-Tuttle e si chiamano così perché le stelle cadenti che generano sembrano provenire dalla costellazione di Perseo
Credits: ESA / Gaia-CC BY-SA 3.0
La figura in alto mostra in blu il contorno della costellazione di Perseo con il punto apparente di origine (radiante) delle Perseidi il 18 agosto 2015 (pallino rosso). La linea verde indica l'arco di possibili provenienze dell'impattatore come determinato dalle misure di coppia e temperatura, con il pallino verde che rappresenta la direzione centrale (con componente radiale nulla). Anche se non è stato possibile dimostrare definitivamente che il meteoroide origine dalla cometa 109P con l'analisi corrente, c'è il forte sospetto che lo sia e questo permetterebbe di calcolare la massa di tale particella. I meteoroidi Perseidi, infatti, viaggiano a 59 km/s rispetto alla Terra (e a Gaia), quindi una particella a questa velocità deve avere una massa di almeno 48 µg per sviluppare almeno 84 J di energia cinetica; in pratica, stiamo parlando di un corpuscolo di circa 0.3 millimetri, comparabile a un granello di sabbia...
Queste misurazioni "serendipitous" (cioè frutto di una fortunata casualità) fatte da Gaia consentiranno agli scienziati di studiare l'ambiente meteoroico per future missioni su L2 e oltre, tra cui le missioni con equipaggio verso gli asteroidi e Marte. A causa della incredibile precisione dei suoi strumenti, Gaia può essere considerato uno degli esploratori cometari dell'ESA, insieme a Giotto e Rosetta!
[Ringraziamento: questi calcoli sono stati preparati da Edmund Serpell, un ingegnere Gaia del Centro Operativo di Missione dell' ESA a Darmstadt, in Germania].
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