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Il Parker Solar Probe

A sinistra, lo spettacolare lancio del vettore Delta Heavy, ripreso da una fotocamera automatica; a destra, tra gli spettatori il dottor Eugene Parker a cui è dedicato il nome della sonda e, in piedi dietro di lui, Nicky Fox, "project scientist" della missione (nonché "star" della diretta televisiva) al JHAPL.
A sinistra, lo spettacolare lancio del vettore Delta Heavy, ripreso da una fotocamera automatica; a destra, tra gli spettatori il dottor Eugene Parker a cui è dedicato il nome della sonda e, in piedi dietro di lui, Nicky Fox, "project scientist" della missione (nonché "star" della diretta televisiva) al JHAPL. Credits: NASA/John Kraus/Glenn Benson

Conosciamo meglio la sonda lanciata domenica, quali sono i suoi obiettivi e come li raggiungerà?

Introduzione

 Il Parker Solar Probe (di seguito brevemente chiamato PSP) è l'unica sonda interplanetaria che porta il nome di uno scenziato ancora vivente. Si tratta di Eugene Parker, nato nel 1927, un astronomo statunitense noto per aver sviluppato, negli anni '50, la teoria sul vento solare e per aver predetto l'esistenza della cosiddetta "spirale di Parker", una corrente eliosferica in espansione attraverso il Sistema Solare, caratterizzata dall'inversione di polarità magnetica. 

 L'idea nacque negli anni '90 con il progetto "Solar Orbiter", che inizialmente prevedeva una sonda alimentata con radiosiotopi (RTG), che avrebbe raggiunto Giove per sfruttarne la gravità, modificando l'orbita in una ellisse perpendicolare al piano dell'eclittica ed estremamente allungata, tanto da arrivare, al perielio, a soli 3 raggi solari (R) dalla superficie della stella. Successivamente il progetto fu ridimensionato, reso meno complesso e costoso e con una distanza minima quasi triplicata (circa 8,5 R). Il nuovo progetto, sviluppato dalla Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, venne presentato nel 2009 e a Marzo 2015 superò la "Critical Design Review" (CDR); nel frattempo, il nome si era trasormato in "Solar Probe Plus" e poi in "Parker Solar Probe". La costruzione del veicolo è terminata un anno fa e, dopo un periodo di test, la scorsa primavera la sonda è stata spedita a Cape Canaveral da dove è stata lanciata il 12 Agosto alle 9:31 (ora italiana), dopo un rinvio tecnico di 24 ore. 

 

Un pò di storia

 Non è la prima volta che si lanciano sonde destinate a uno studio ravvicinato del Sole. Già negli anni '70 il progetto Helios, sviluppato congiuntamente da Germania e Stati Uniti, portò al lancio di due veicoli simili, ciascuno con 8 strumenti scientifici a bordo, che si avvicinarono a circa 0,3 ua dal Sole. In particolare, il 17 Aprile 1976 Helios-B si avvicinò fino a 43,4 milioni di chilometri, stabilendo anche il record di velocità per un oggetto costruito dall'uomo (70,2 km/s); questi record lasciano il tempo che trovano perchè i fisici sanno che la velocità è una grandezza relativa e, in questo caso, era riferita al baricentro del sistema solare; essa era elevata a causa dell'orbita decisamente ellittica, con la sonda in corrispondenza del perielio (si veda la figura in alto a sinistra, qui sotto)

Helios2

Collage di immagini relative all'integrazione delle sonda Helios A e B e, in alto a sinistra, le rispettive orbite eliocentriche - Credit: NASA, DLR

 Entrambe le sonde portarono a termine con successo la missione e continuarono a trasmettere dati fino a metà degli anni '80; adesso non sono più operative ma sono ancora nella loro orbita attorno al Sole. Anche se in fondo la distanza raggiunta era solo il 6% inferiore a quella minima di Mercurio dal Sole, la temperatura di alcuni strumenti giunse oltre 130°C creando qualche problema di funzionamento. La missione permise di fare misure importanti sul mezzo interplanetario intorno al massimo di attività solare (avvenuto nel 1981), sulla luce zodiacale (generata principalmente dalla polvere cometaria) e sul gradiente di raggi cosmici, in contemporanea con le misure di Pioneer e Voyager nel sistema solare esterno; vennero osservati anche i passaggi al perielio di ben 3 comete.

 Non si può fare a meno poi di menzionare la missione Ulysses di ESA e NASA, con forte partecipazione italiana; lanciata dallo Shuttle nel 1990, pur non avvicinandosi mai particolarmente al Sole, ha studiato l'eliosfera ad alte latitudini per quasi 19 anni, grazie ad un'orbita ellittica fortemente inclinata raggiunta attraverso il "gravity assist" con Giove. Questa idea sarebbe stata ripresa dal "Solar Orbiter" di cui abbiamo parlato, poi abbandonata in favore del PSP.

 Per concludere, l'ESA ha anch'essa in serbo una nuova missione di esplorazione del Sole, ravvicinata ma non troppo; il nome, Solar Orbiter (per alcune fonti Solar Observer), è mutuato dal progetto americano poi evoluto in PSP e dovrebbe partire nel 2020 (secondo altre fonti a Ottobre 2018); giungerà a 0.28 ua dal Sole, una distanza non molto diversa da quella delle Helios, per studiare l'eliosefera in coordinazione con la Parker.

 

Obiettivi e strumenti a bordo

 Diciamo subito che, pur arrivando 24 volte più vicino al Sole di quanto non lo siano i telescopi a Terra o i satelliti per osservazioni solari, l'obiettivo di PSP non è quello di fotografare il Sole da vicino. Essendo il primo veicolo ad entrare nella corona solare, lo scopo principale è invece quello di comprendere le caratteristiche di questa regione più rarefatta dell'atmosfera solare e, soprattutto, svelare il mistero che da mezzo secolo intriga gli studiosi: come mai questa regione esterna ha una temperatura di 1-2 milioni di gradi, molto più calda della superficie visibile del Sole (fotosfera)? Ci sono diversi meccanismi proposti per risolvere questo enigma e PSP dovrebbe svelare quale sia quello giusto. Un altro importante meccanismo da comprendere è quello che accelera il vento solare.

Ecco una descrizione sommaria dei 4 strumenti principali installati sulla sonda:

Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation (SWEAP) che conterà le particelle più abbondanti nel vento solare (elettroni, protoni ed ioni di elio) misurandone le proprietà (velocità e densità). TSWEAP utilizza due strumenti: la Solar Probe Cup (SPC) e il Solar Probe ANalyzer (SPAN) per raccogliere le misurazioni del plasma del vento coronale.

Wide-field Imager for Solar Probe Plus (WISPR), un telescopio a largo campo che realizzerà immagini tridimensionali della corona del sole e dell'eliosfera interna. L'esperimento in realtà "vedrà" il vento solare e fornirà immagini tridimensionali di urti e altre strutture mentre si avvicinano e oltrepassano la navicella spaziale. Questa indagine completa quella degli altri strumenti in quanto fornisce misurazioni dirette mediante l'osservazione del plasma da analizzare.

Electromagnetic Fields Investigation (FIELDS), che effettuerà misurazioni dirette delle onde d'urto che attraversano il plasma atmosferico del Sole e che sono i principali sospettati per il riscaldamento della corona. FIELDS comprende due magnetometri "fluxgate", un magnetometro a bobina e cinque antenne che misurano campi e onde elettrici e magnetici, fluttuazioni del potenziale del veicolo spaziale, fluttuazioni di densità ed emissioni radio.

Integrated Science Investigation of the Sun (IS☉IS), che analizzerà i costituenti dell'atmosfera del Sole usando lo spettrometro di massa. Anche IS☉IS è composto da due strumenti indipendenti (EPI-Hi ed EPI-Lo) che coprono gamme di energia diverse (in parte sovrapposte). Questa suite produrrà osservazioni di elettroni energetici, protoni e ioni pesanti che vengono accelerati ad alte energie (10 s da keV a 100 MeV) nell'atmosfera del Sole e nell'eliosfera interna.

IOSIS

Lo strumeto IOSIS con i suoi numerosi "nasi" per saggiare la corona solare. - Credit: NASA/jhuapl

 Due giorni dopo il lancio, la navicella spaziale ha dispiegato con successo l’antenna ad alto guadagno e l’asta del magnetometro FIELDS, sbloccando anche quattro delle 5 antenne per le misure di campo elettrico, da estendere 30 giorni dopo il lancio. La sonda ha anche azionato i retrorazzi per ridurre il moto di rotazione su se stessa. La verifica degli strumenti occuperà l'intero mese di settembre e preluderà alla piena operatività scientifica.

 Di seguito, si vede come i piccoli pannelli solari verranno completamente retratti durante i giorni di massimo avvicinamento al Sole e l'energia verrà fornita da un sistema secondario; nella fase di scienza primaria (circa 11 giorni attorno al perielio) la sonda lavorerà autonomamente collezionando i dati che verranno poi trasmessi a Terra nelle settimane successive.

concept of operation

I cambiamenti di assetto nella sonda e nei piccoli pannelli solari nelle diverse fasi della missione. - Credit: NASA/jhuapl

  Il costo stimato della missione è 1,5 miliardi di dollari.

Le protezioni termiche

 La sonda giungerà così vicino al Sole da ricevere un irraggiamento quasi 500 volte maggiore di quello sulla Terra, sottoponendola a condizioni termiche severe. Il celebre scudo termico di Parker dovrà resistere a temperature vicine a 1380 °C, garantendo alla strumentazione retrostante una confortevole protezione termica. Esso è essenzialmente realizzato con un uno spesso strato di carbonio poroso e quindi isolante, mentre la parte anteriore è ricoperta da una protezione in materiale ceramico, ricopero da una "vernice" di ossido di alluminio, molto resistente al calore e ovviamente chiara per riflettere la luce. Lo spessore totale è di 11,4 cm, la forma è vagamente esagonale con un diametro di oltre 2 metri mentre la massa è di circa 80 kg.

Shield Structure

Schema dello scudo termico, con la sezione ingrandita sulla destra. - Crediti: Greg Stanley/Johns Hopkins University/INAF

 Nonostante la temperatura della corona solare sia di quasi 2 milioni di gradi, PSP non raggiungerà mai una simile temperatura poichè, per fortuna, il gas è estremamente rarefatto e nei pochi giorni in cui PSP si trova ad attraversarlo, in prossimità del perielio, non ci sarà tempo per raggiungere l'equilibrio termico con esso, per fortuna. Di fatto, grazie alla protezione dello scudo dalla luce diretta del Sole e grazie anche ad un sistema di raffreddamento a liquido, gli strumenti e l'elettronica rimarranno sotto sui 30 °C, un temperatura persino più confortevole di quella sperimentata dagli italiani nell'ultima stagione estiva! Se non ci fossero questi sistemi, gli strumenti si riscalderebbero rapidamente smettendo di funzionare dopo poche decine di secondi...

 

La traiettoria (ovvero "Viaggio nelle leggi di Kelero")

 L'enorme vettore Delta-IV heavy potrebbe sembrare sproporzionato; in effetti, come mostra l'immagine di apertura, dentro i suoi "firings" la sonda sembra minuscola, con una massa di soli 600 kg. In realtà il ricorso a un "lanciatore pesante" è stato necessario per consentire, con la sua grande potenza, di impartire alla PSP una elevata energia cinetica, 55 volte superiore a quella necessaria per raggiungere il pianeta Marte! Questo servirà a immetterla in un'orbita eliocentrica decisamente ellittica, contrariamente a quella quasi circolare della Terra (le orbite sono tutte ellissi, recita la prima legge di Keplero, e il cerchio ne è un caso particolare o caso limite).

Questo fatto viene espresso, in gergo astronautico, dal parametro C3 o "energia caratteristica"; esso esprime il quadrato dell'eccesso di velocità di un veicolo spaziale dopo essersi sganciato dalla gravità del pianeta di partenza. Nel caso di PSP, C3=154 km2/s2, e quindi l'eccesso di velocità sarà 12,4 km/s. Essendo la spinta avvenuta in direzione opposta a quella in cui si muove la Terra, significa che la velocità di apogeo di PSP si ottiene sottraendo questo numero dalla velocità orbitale terrestre, dunque 29,8-12,4=17,4 km/s. Per la seconda legge di Keplero (ovvero per la conservazione del Momento Angolare), velocità e distanza dal Sole sono inversamente proporzionali; siccome al primo perielio Parker disterà 35,7 raggi solari dalla superficie della stella (come indicato nella figura qui sotto), questo equivale a 0,171 unità astronomiche e quindi avremo una velocità di 17,4/0,171=102 km/s. In realtà, questo calcolo sovrastima leggermente la velocità perchè non tiene conto dello scambio di momento angolare con Venere, di cui adesso andiamo a parlare.

PSP MissionDesign

Le 24 orbite di PSP (in rosso) durante la sua settennale missione - Credit: NASA/jhuapl

Tra il 2 e il 3 Ottobre ci sarà il primo di 7 incontri programmati con il pianeta Venere. Lo scopo di queste manovre di "gravity assist" sarà essenzialmente quello di spostare progressivamente afelio e perielio, riducendoli entrambi, come illustrato nella figura qui sopra e nel diagramma sottostante. All'inizio, il periodo di rivoluzione sarà di circa 170 giorni mentre nelle ultime 3 orbite si dimezzerà a 88 giorni, che poi è identico a quello di Mercurio; secondo la terza legge di Keplero, questo significa anche uguale distanza media dal Sole e infatti, se consideriamo un perielio a 0.046 au dal centro del Sole e un afelio praticamente tangente all'orbita di Venere (0.723 au dal Sole), otteniamo un semiasse maggiore praticamente identico a quello di Mercurio (0.387 au).

ParkerPlot2

Andamento di distanza e velocità della sonda rispetto al Sole nel corso della missione; le cifre cerchiate in rosso indicano il numero di orbita, quelle in verde i "gravity assist" con Venere - Credit: Phoenix7777 / Wikipedia - CC-BY-SA-4.0 - Data source: HORIZONS System, JPL, NASA - Processing: M. Di Lorenzo

 Il primo flyby di Venere permetterà al Parker Solar Probe di sorvolare il Sole a circa 24 milioni di chilometri dalla superficie, all’inizio del prossimo novembre; si tratta già di un valore record, che verrà poi infranto altre 6 volte giungendo a soli 6,16 milioni di km alla fine del 2024. Insomma, nei prossimi 7 anni ci sarà parecchio di nuovo sotto Sole!

 

Riferimenti:
http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/index.php
http://www.media.inaf.it/2018/08/10/parker-solar-probe-lancio/
http://www.media.inaf.it/2018/08/13/parker-solar-probe-in-viaggio/
https://en.wikipedia.org/wiki/Helios_(spacecraft)
https://en.wikipedia.org/wiki/Ulysses_(spacecraft)
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_Orbiter
http://sci.esa.int/solar-orbiter/

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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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1 commento

  • Link al commento Massimo Martini Domenica, 19 Agosto 2018 16:31 inviato da Massimo Martini

    Interessantissimo! Una missione veramente 'unica'.
    Alcuni anni fa avevo intervistato (per Astronautica.us) il Prof. Velli, un vero esperto di magnetosfera e vento solare, che collabora sia con la SPS che con la missione europea.

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