Cinquant'anni per arrivare perlomeno a raddoppiare la distanza massima raggiunta dalla sonda Voyager-1, che insieme alla gemella sta ormai per spegnersi definitivamente dopo aver funzionato per un tempo confrontabile. Questa l'ambiziosa proposta di un gruppo di ricercatori dell'Applied Physics Laboratory (APL) della Johns Hopkins University, la stessa istituzione che ha sviluppato la missione New Horizons per la NASA.
Il progetto per la prima sonda interstellare è stato formalmente presentato all'incontro dell'American Geophysical Union di New Orleans, alla fine del 2021, e potrebbe far parte dell'imminente rassegna decennale di fisica solare e spaziale 2023-2032, con una data di partenza prevista nel prossimo decennio.
Contrariamente alle sonde che l'anno preceduta e che avevano come obiettivo principale lo studio di corpi celesti nel Sistema Solare esterno, questa sarà disegnata essenzialmente per sondare il mezzo interplanetario, il suo bordo esterno (eliosfera) e, soprattutto, la sua interazione con il mezzo interstellare (ISM) locale, attraverso cui ci muoviamo. Tuttavia, è probabile che, come bonus scientifico, la sonda esplori da vicino almeno un corpo solido remoto lungo il percorso; si pensa anche di sfruttarla per riprendere un nuovo "ritratto di famiglia" del sistema solare, dopo quello scattato d Voyager-1 ventidue anni fa.
Questo grafico fornisce un contesto al viaggio di Interstellar Probe fuori dal sistema solare. L'obiettivo finale della sonda viene confrontato con le posizioni attuali di altre missioni in corso nel sistema solare esterno. - Credits: Johns Hopkins APL - Clicca per ingrandire in un'altra finestra
E parlando di Voyager-1, essa è attualmente la sonda che sta abbandonando il Sistema Solare più rapidamente: quasi 17 km/s ovvero 3,55 unità astronomiche ogni anno. Seguono in classifica Voyager-2 (15,3 km/s o 3,25 ua/anno) e poi New Horizons, con 13,8 km/s (2,9 au/y). Interstellar Probe dovrà muoversi molto più rapidamente, ad una velocità 2-3 volte maggiore, dato che in 50 anni dovrà giungere ad almeno 350 unità astronomiche dal Sole, lo 0,55% di un anno luce. Per farlo, senza ricorrere a futuristici motori nucleari o a cannoni laser, dovrà essere leggera e spinta da un razzo possente, e dovrà anche farsi dare un grosso aiuto gravitazionale dal Sole o, più probabilmente, da Giove. Infatti, lo studio privilegia la scelta di un lanciatore pesante Block-2 dello Space Launch System (SLS) e il successivo ricorso ad un "gravity assist" gioviano, eventualmente coadiuvato da una contemporanea spinta propulsiva.
Manovra di Oberth solare? no, grazie!
Della Manovra di Oberth abbiamo parlato in un articolo dedicato, al quale rimandiamo il lettore desideroso di approfondire l'argomento. Qui ricordiamo che si tratta di uno stratagemma per ricavare un "bonus" di velocità accelerando un veicolo quando questo si trova a passare nei pressi di un corpo celeste; dato che il vantaggio è tanto maggiore quanto più grande è la velocità indotta dall'attrazione gravitazionale e quindi dalla massa del corpo celeste, la situazione più favorevole sarebbe quella di accelerare mentre si passa vicinissimi al Sole; purtroppo si tratta di una manovra con qualche controindicazione, soprattutto perchè il Sole ha il vizio di essere una stella che emette un enorme flusso di radiazioni nei dintorni!
La manovra di Oberth è stata proposta a più riprese, anche per realizzare una sonda che ci permetta di rincorrere e studiare da vicino l'enigmatica cometa interstellare 'Oumuamua. Inizialmente, anche per la Interstellar Probe l'approccio è stato questo. I calcoli mostrano che, per un passaggio a 6,17 milioni di km dalla superficie solare (pari a 9,86 raggi solari dal centro del Sole, la stessa distanza che affronterà Parker Solar Probe nel 2025 durante le ultime orbite), si otterrebbe una velocità finale di fuga dal Sistema Solare pari a 40 km/s (ovvero 8,44 au/anno). Questo è già un buon risultato e meglio ancora si potrebbe fare, se ci si potesse avvicinare ulteriormente al Sole. A 5,5 raggi solari, per esempio, si raggiungerebbero le 10 ua/anno (47,5 km/s), mentre il caso estremo consisterebbe nello sfiorare letteralmente la fotosfera, per ottenere una velocità finale di ben 75 km/s, quasi 16 unità astronomiche all'anno!
Naturalmente, un sorvolo tangente al Sole non sarebbe praticamente realizzabile, dato che nessun materiale sarebbe in grado di resistere alla temperatura della fotosfera che sfiora i 6000 °C. Realisticamente, lo scudo termico potrebbe utilizzare il Tungsteno che è il metallo con la più alta temperatura di fusione (3150 °C); tuttavia, esso è anche molto denso, fatto penalizzante per un veicolo spaziale. Gli autori invece propongono di utilizzare una matrice composta di carburo di Afnio o Tantalio che dovrebbe avere un punto di fusione ancora più alto, sui 4200 °C, anche se non garantisce una grande robustezza strutturale. Con parasole di questo tipo, in teoria ci si potrebbe spingere a circa 2 raggi solari, ma gli autori si mantengono preferiscono introdurre un ampio margine e, nei calcoli qui sotto, si sono basati su una distanza di circa 3 raggi solari ovvero 1,4 milioni di km dalla fotosfera.
Sulla sinistra, rendering della variante Oberth con tanto di parasole multistrato (in alto) e relativo contrappeso (in basso) e, sul retro, motore a combustibile solito. Al centro un diagramma della traiettoria con i tempi di percorrenza e, a destra, i parametri principali della missione. - Credits: John Opkins Univ./APL/NASA
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Alla fine, per gli autori il gioco non vale la candela. "La manovra di Oberth aggiunge poca velocità rispetto a un assist gravitazionale di Giove, ma rappresenta un alto rischio di missione", afferma Alice Cocoros (Johns Hopkins APL).. "Inoltre, l'opzione di assistenza gravitazionale di Giove ci mette in una condizione favorevole in termini di velocità, al fine di effettuare indagini scientifiche che la comunità ha identificato come fondamentale".
Appuntamento con Giove, accelerando
Traiettoria e dipendenza della velocità dalla data di lancio in uno dei possibili lanci con Gravity assist da Giove - Credits: J.Hopkins/APL/NASA - Processing/Improvement: Marco Di Lorenzo - Cliccare per ingrandire in altra finestra
A questo punto, esclusa la manovra di Oberth solare, c'è sempre la possibilità di fare una manovra simile ma su scala ridotta, utilizzando una sorta di "Gravity Assist" attivo ottenibile tramite una spinta propulsiva durante il massimo avvicinamento a Giove. Il grafico sottostante illustra le velocità finali ottenibili al variare della massa iniziale della sonda, sia nel caso di un assist attivo che passivo. Alla fine, giunta a 100 unità astronomiche dal Sole, la sonda avrebbe comunque una velocità ragionevolmente compresa tra 6,6 e 8,0 unità astronomiche all'anno.
Muovendosi a una velocità senza precedenti, Interstellar Probe potrebbe raggiungere lo shock di terminazione, a 90 au, in soli 12 anni. La missione estesa di 50 anni la porterebbe a centinaia di unità astronomiche oltre l'eliopausa, in profondità nel mezzo interstellare, e la sua vita operativa coprirebbe quasi cinque cicli di 11 anni di attività magnetica solare.
Gli obiettivi
"La bellezza della sonda interstellare non sta nel raggiungere un punto qualsiasi, ma nel viaggio che farà attraverso il sistema solare", afferma Cocoros. “Inizieremo a effettuare misurazioni poco dopo il lancio e continueremo a farlo per la durata della missione di 50 anni, ben oltre quella di qualsiasi altra sonda. La continuità di queste misurazioni durante il viaggio fornirà informazioni approfondite per rispondere ad alcune delle domande più urgenti della fisica spaziale".
I migliori modelli di eliosfera prevedono forme differenti per questa struttura, simili a una chioma cometaria oppure a un "croissant". Nella figura a sinistra sono mostrate anche le traiettorie delle due sonde Voyager e la direzione del campo magnetico interstellare. - Credits: Izmodenov & Alexashov, Zhang et al., by Opher et al. - Processing: Marco Di Lorenzo - Clicca per ingrandire in un'altra finestra
L'obiettivo principale della missione è comprendere il processo che modella l'eliosfera rispetto all'ambiente interstellare locale, compresi gli effetti del ciclo solare. I ricercatori vogliono quantificare le proprietà del gas e della polvere attorno al Sole. Vogliono anche misurare lo shock d'arco creato mentre il sistema solare si muove attraverso il mezzo interstellare; i Voyager hanno attraversato questo confine ma hanno prodotto più domande di quante ne abbiano risposto. A differenza dei Voyager, questa missione porterebbe strumenti per investigare particelle di ogni tipo all'interno, lungo e all'esterno di questo confine, inclusi plasma ionizzato, polvere, atomi neutri, particelle energetiche e raggi cosmici.
Nubi interstellari locali - cliccare per ingrandire
Fondamentalmente, un lancio alla fine del prossimo decennio consentirebbe alla sonda di uscire dall'eliosfera solare vicino alla "direzione dell'ariete" nel vento interstellare, posizionando anche la missione abbastanza di lato per vedere la struttura globale dell'eliosfera tramite rilevamenti di energia neutrale atomi. Queste ultime osservazioni potrebbero risolvere il dibattito in corso su dove l'eliosfera abbia la forma più simile a una mezzaluna o più simile a un girino, con una coda che si trascina sulla scia del Sole.
Più lontano, la missione cercherà di comprendere l'attuale posizione del nostro sistema solare tra diverse "nuvole" interstellari locali. Queste nubi sono regioni del mezzo interstellare che hanno un po' più di polvere e gas (sebbene siano ancora più rarefatte del miglior vuoto sulla Terra).
In alto, modelli della densità di idrogeno nella eliosfera, a sinistra in caso di moto in un mezzo ISM freddo, a destra in uno ionizzato (con l'eliopausa molto più ampia); in basso a sinistra, la pressione dinamica (codificata dai colori) in funzione della distanza dal Sole e del tempo mostra variazioni legate all'attività solare, con una oscillazione nella posizione della cosiddetta "termination shock" attorno alle 120 unità astronomiche; in basso a destra, distribuzione in velocità dell'idrogeno: all'origine c'è il Sole che si muove verso sinistra e la legenda è sulla destra; notare la presunta regione turbolenta nella "coda" che dà origine al suddetto "croissant" se visualizzato in 3 dimensioni - Credits: Müller et al. (2008), Washimi et al. (2011), Opher et al. (2018) - Graphic (strong) improvements: Marco Di Lorenzo - Clicca per ingrandire in un'altra finestra
Tuttavia, le nuvole, così come la pressione delle supernove vicine, influenzano le dimensioni e la forma dell'eliosfera, a volte comprimendola abbastanza verso l'interno da rimuovere parte della sua protezione. Il Sole ha attraversato una nuvola, senza fantasia chiamata Local Interstellar Cloud, negli ultimi 60.000 anni, ma potrebbe essere al limite. Il sistema solare dovrebbe uscire da questa nuvola in soli 2.000 anni e potrebbe essere già in contatto con la prossima. Il veicolo spaziale userebbe quattro antenne radio da 50 metri per misurare la densità elettronica del plasma per capire il nostro posto tra queste nuvole. Comprendere il loro effetto sul flusso di raggi cosmici è fondamentale per comprendere il loro impatto sull'evoluzione della vita sulla Terra.
"La nostra eliosfera è l'unica astrosfera abitabile che conosciamo oggi", afferma Elena Provornikova (Johns Hopkins APL). "Come si è formato, come si è evoluto in passato e si evolverà in futuro durante il suo viaggio nella galassia, come questa evoluzione influisca sull'abitabilità atmosferica e superficiale dei pianeti è ancora da scoprire con la missione Interstellar Probe". Oltre a questo ampio obiettivo primario c'è l'obiettivo di supporto di esplorare gli oggetti della cintura di Kuiper durante il viaggio nel tentativo di comprendere le origini planetarie. Il rapporto iniziale elenca 10 candidati flyby, inclusi 50000 Quaoar, 225088 Gonggong e 90482 Orcus.
Mappa del cielo con le regioni di massima velocità raggiungibile (in rosso) a seconda dell'anno di lancio, con indicazione di possibili obiettivi intermedi - Credits: J.Hopkins/APL/NASA - Cliccare per aprire in un'altra scheda
Da quanti oggetti può raggiungere la sonda dipende da quando viene lanciata. Ad esempio, un lancio nel 2040 lo metterebbe su una traiettoria per sorvolare Quaoar, un mondo lontano che sembra perdere rapidamente sostanze volatili. Quella finestra di sorvolo invierebbe anche la missione verso un vasto nastro di atomi neutri energetici che fluiscono attraverso il confine dell'eliosfera, come visto dall'Interstellar Boundary Explorer (IBEX) della NASA nel 2013 . La sonda potrebbe fornire viste complementari a quelle di IBEX e Interstellar Mapping Acceleration Probe (IMAP) dalle loro posizioni a 1 ua.
"Il potenziale sorvolo di un piccolo pianeta nano o di un oggetto nella fascia di Kuiper consentirà l'esplorazione di un mondo mai visitato prima e farà passi da gigante nella comprensione della diversità di questi corpi nel sistema solare", afferma Provornikova.
Un secondo obiettivo di supporto vedrebbe la sonda interstellare eseguire osservazioni astrofisiche che possono essere eseguite solo al di fuori del sistema solare. Un ottimo esempio è la comprensione della formazione di galassie e stelle tramite la luce di fondo extragalattica . Questa luce diffusa di stelle e galassie irrisolte può essere vista solo al di là degli effetti oscuranti della luce zodiacale , prodotta quando la polvere nel sistema solare interno disperde la luce solare. New Horizons ha già fatto osservazioni su questo sfondo nel suo viaggio di andata.
I 10 strumenti di Interstellar Probe con la ripartizione del carico utile. - Credits: J.Hopkins/APL/NASA -Cliccare per ingrandire in altra finestra
Il costo della missione previsto è di 1,7 miliardi di dollari (previsto in dollari FY25, con un costo dalla progettazione al lancio ma escluso il razzo), con ulteriori 230 milioni di dollari ogni decennio per le operazioni.
Come altri veicoli spaziali in fuga dal sistema solare, la missione incorporerebbe una coppia di generatori termoelettrici multi-missione (MMRTG) alimentati al plutonio-238, che forniranno decenni di energia affidabile lontano dal Sole,; si parla di 600 Watt a inizio missione e 300 W dopo 50 anni..
La missione incorporerà diversi strumenti per misurare le proprietà del sistema solare esterno e dell'ambiente interstellare, ma i carichi utili finali della missione saranno dettati dalla finestra di lancio e dai successivi sorvoli. Per la comunicazione, la sonda utilizzerà la Deep Space Network di prossima espansione fino a 70 au, prima di passare alla rete Very Large Array di prossima generazione, come delineato nel recente Astronomy and Astrophysics Decadal Survey , che dovrebbe consentire la comunicazione fuori a 1000 ua.
E i cinesi non stanno a guardare
La missione "Interstellar Express" prevede invece due o anche tre piccole sonde lanciate nello spazio interstellare. Uno andrebbe verso il presunto "naso" dell'eliosfera e un altro andrebbe verso la "coda"., mentre l'eventuale terzo veicolo spaziale potrebbe viaggiare in una direzione normale all'eclittica, avvalendosi di propulsione nucleare. Inizialmente prevista per il lancio nel 2024, la navicella spaziale cinese potrebbe quindi raggiungere le 100 UA entro il 2049, il 100° anniversario della fondazione della Repubblica popolare cinese, ma la pandemia di coronavirus ha così rallentato lo sviluppo che questa data potrebbe non essere più fattibile .
Lungo la strada, ciascuna delle sonde cinesi studierebbe indipendentemente obiettivi come Giove, Nettuno e alcuni KBO selezionati come il pianeta nano Quaoar. Il loro obiettivo collettivo, tuttavia, sarebbe quello di esplorare l'eliosfera esterna e lo spazio interstellare. Come la sonda Interstellar, i due o tre veicoli spaziali sarebbero dotati di rivelatori di Atomi Neutri Energetici (ENA imager) per fornire istantanee della nostra eliosfera, insieme a strumenti per misurare il campo magnetico locale e la densità del plasma, tra gli altri. "Abbiamo strumenti simili", afferma Linghua Wang dell'Università di Pechino, che fa parte del team di imager ENA di Interstellar Express. "Ma le specifiche dello strumento potrebbero essere diverse."
Avere questi veicoli spaziali a complemento della sonda interstellare sarebbe un vantaggio per gli scienziati che sperano di studiare lo spazio interstellare. "È meglio averne di più", dice Wang. "Spero che possiamo avere quattro o più veicoli spaziali". Le prospettive per la Cina a sostegno della missione sembrano promettenti, con il paese desideroso di consolidare le sue capacità di viaggio nello spazio dopo aver già restituito campioni dalla luna, atterrato su Marte e costruito una stazione spaziale con equipaggio in orbita terrestre bassa. I gruppi coinvolti nella missione, con sede all'Università di Pechino e all'Accademia cinese delle scienze, "hanno ricevuto finanziamenti dal governo per studi concettuali", afferma Wang. "Quindi le possibilità probabilmente non sono così basse."
Resta da vedere se uno, due o tutti questi veicoli spaziali saranno selezionati e finanziati. Ma non c'è dubbio che Interstellar Probe e Interstellar Express potrebbero essere trasformativi nella nostra comprensione del nostro posto nello spazio. Dall'apprendimento della nostra posizione e direzione nella galassia alla comprensione del confine tra i confini più esterni del nostro sole e il cosmo circostante, queste missioni potrebbero ispirare più generazioni di scienziati e il pubblico allo stesso modo. "Inevitabilmente è lì che ci porterà l'esplorazione dello spazio", afferma Brandt. “Lo facciamo per le generazioni future”.
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