Scritto: Venerdì, 27 Febbraio 2015 21:57 Ultima modifica: Mercoledì, 09 Marzo 2016 06:59

Alla scoperta di Cerere


Ora che la sonda della NASA Dawn sta iniziando a vedere le caratteristiche geologiche del pianeta nano Cerere, è arrivato il momento di rispolverare le vecchie conoscenze relazionandole con le ultime novità, per una panoramica generale alla scoperta di questo piccolo corpo ghiacciato.

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Cerere - immagine della sonda della NASA Dawn colorata con un'immagine Hubble Cerere - immagine della sonda della NASA Dawn colorata con un'immagine Hubble Credit: NASA, ESA, J. Parker (Southwest Research Institute), P. Thomas (Cornell University), L. McFadden (University of Maryland, College Park), and M. Mutchler and Z. Levay (STScI) - NASA/JPL/UCLA/MPS/DLR/IDA - Processing by Elisabetta Bonora

Anche se può sembrare scontato, prima di iniziare, un identikit è d'obbligo.

Nome: Ceres (Cerere)
Classificazione: pianeta nano

Scoperta: 1 gennaio 1801, Giuseppe Piazzi

Massa: 9,43 × 1020 kg (0.00015 x Terra)
Diametro medio: circa 950 km

Periodo di rotazione: 0,3781 giorni (9h 4min 28s)
Periodo orbitale: 1679,667 giorni (4,60 anni)
Inclinazione sull'ecclittica: 10,586°
Perielio: 380.951.000 km (2,546 UA)
Afelio: 446.428.000 km (2,984 UA)

Temperatura superficiale media: 167 K (-106 C)
Albedo: 0,090 ± 0,0033

Cerere: orbita

Fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/File:Ceres_Orbit_%28orbita_di_Cerere%29.svg

Dalla seconda campagna “Rotation Characterization” (RC2) del 19 febbraio, il disco di Cerere ha iniziato ad occupare circa 210 pixel nelle immagini di Dawn, che ancora non sono molti ma sono già abbastanza per iniziare a scatenare la sete di scoperte.

C'è un mistero in particolare che sta intrigando scienziati ed appassionati: è uno spot brillante posizionato nell'emisfero nord del pianeta nano, poco più su dell'equatore. La curiosa caratteristica si percepiva già nelle immagini riprese con l'Advanced Camera for Surveys (ACS/HRC) del telescopio spaziale Hubble, che fino a poco più di un mese fa, erano le migliori disponibili con una risoluzione di 30 km per pixel.

Cerere è un mondo affascinante perché pur trovandosi all'interno della fascia principale degli asteroidi tra Marte e Giove, è un protopianeta con una struttura interna differenziata: probabilmente composto da un nucleo roccioso, da un mantello, sovrastato da uno strato di ghiaccio d'acqua forse spesso anche 100 chilometri, ricoperto di regolite a base di silicati, rilevati con analisi spettroscopiche. Queste caratteristiche hanno portato ad una sua riclassificazione nel 2006 da asteroide a pianeta nano, alla stregua di Plutone, Makemake, Haumea ed Eris.

Pianeti nani a confronto

La sua formazione risale alle origini del Sistema Solare ma a differenza della maggior parte delle rocce orbitanti in quella regione, Cerere è sorprendentemente sopravvissuta alle collisioni rimanendo relativamente intatta. Questo rende la sua storia un rebus: come è legata agli altri asteroidi? Erano tutti simili a Cerere nel passato ma sono stati più sfortunati? Si è formata veramente lì o è un corpo intruso che arriva dalla fascia di Kuiper? Tutte domande alle quali Dawn cercherà di rispondere.

Come spesso accade, fu scoperta per caso dall'astronomo italiano Giuseppe Piazzi che, in realtà stava lavorando sulle osservazioni di una stella già catalogata. In un primo momento, Piazzi ipotizzò che fosse un astro sconosciuto, poi parlò cautamente di una cometa ed infine si ritenne che Cerere potesse essere il pianeta a lungo ipotizzato orbitate nel vuoto tra Marte e Giove. Ma le sue dimensioni furono deludenti tanto da creare un termine ad hoc per definirlo: asteroide, un oggetto né stella né pianeta. Di fatto, quindi, Cerere diventò a tutti gli effetti il primo asteroide scoperto.

Ma studiare questo corpo così piccolo e poco luminoso non era semplice con gli strumenti dell'epoca.
Bisognerà aspettare le prime riprese del Telescopio Spaziale Hubble del 1995 per iniziare ad avere qualche caratterizzazione della superficie.

Cerere - Hubble 1995

Telescopio Spaziale Hubble, 25 giugno 1995, in luce ultravioletta
I vettori mostrano la direzione del Sole e l'orientamento Nord-Est dell'immagine
Credit: Credit to Southwest Research Institute / NASA

Furono proprio queste le foto che per prime evidenziarono la presenza di una macchia scura che prese il nome non ufficiale di “Piazzi”, in onore dell'astronomo scopritore.
Il Dott Joel Parker, del Southwest Research Institute (SwRI), all'epoca aveva commentato:
"anche se non possiamo determinare la sua natura con questi dati, se si tratta di una zona con una colorazione differente o, eventualmente, un cratere da impatto con un altro asteroide, è abbastanza grande. La caratteristica Piazzi ha un diametro di circa 250 km, che è più di un quarto delle dimensioni di Cerere. Se fosse il risultato di un impatto, Cerere sarebbe stata colpita da un oggetto di circa 25 chilometri di diametro che deve aver dato davvero una bella scossa".

Cerere - Hubble 1995

Credit: Credit to Southwest Research Institute / NASA

Ma le informazioni erano ancora scarse e, dopo 200 anni di osservazioni gli astronomi ancora dibattevano sulle dimensioni del pianeta nano: le stime del suo diametro erano state circoscritte tra i 930 e i 970 chilometri.

Osservazioni successive, nel 2002 con la camera NIRC2 e il sistema di ottiche adattive del telescopio Keck II sulla cima del Mauna Kea nelle Hawaii e poi ancora, tra la fine del 2003 ed i primi del 2004, con il Telescopio Spaziale Hubble, mostrarono l'alternarsi di zone scure e chiare, in tutto una decina, che ora stanno diventando più nitide nelle foto scattare da Dawn.

Il Keck II mappò Cerere per la prima volta in luce infrarossa tra il 18 e il 22 settembre del 2002.
Acquisì immagini in tre lunghezze d'onda nel vicino infrarosso J [1.166 - 1.330 μm], H [1.485 - 1.781 μm] e K [1.948 - 2.299 μm].

In una serie di scatti nella banda K sono ben visibili le due principali caratteristiche, indicate rispettivamente con la lettera "A", una macchia scura con uno spot chiaro al centro che corrisponde alla “Doppia Macchia Bianca” osservata da Dawn e "B", ossia la regione Piazzi.

Cerere - Keck II K band

Fonte: http://arxiv.org/pdf/0711.1152.pdf

Qui sotto la mappatura completa nelle tre bande J, H e K.

Cerere - Keck II mappatura in infrarosso

Fonte: http://arxiv.org/pdf/0711.1152.pdf

Le osservazioni del Keck II furono rimaneggiate ed integrate nel 2006 con i dati successivi rilevati da Hubble, da un gruppo di astronomi guidati da Benoit Carry de Paris-Meuden Observatory in Francia. La mappa in infrarossi ottenuta rappresenta in falsi colori le regioni più luminose in rosso e quelle più scure in blu.

Cerere - mappa infrarossa in falsi colori

Credit: B Carry/C Dumas et al./Keck

Le foto del Telescopio Spaziale Hubble del 2003/2004, coprirono più di una rotazione completa di Cerere attraverso tre filtri larga banda, centrati sui 535, 335 e 223 nm (F555W, F330W e F220W), scelti per coprire il forte assorbimento in UV.

Le nuove immagini, ottenute con diverse esposizioni, hanno permesso di creare una vista a colori del pianeta nano con una migliore differenziazione della superficie.

 Cerere - Hubble

F330W blu - F555W rosso / arancione
Credit: NASA, ESA, J. Parker (Southwest Research Institute), P. Thomas (Cornell University), L. McFadden (University of Maryland, College Park), and M. Mutchler and Z. Levay (STScI)

Sempre grazie alle immagini Hubble è stato possibile produrre un'analisi fotometrica di Cerere su cui sono state individuate 11 caratteristiche ben definite: i numeri da 1 a 6 segnano le zone luminose, i numeri da 7 a 11, le aree scure.

Cerere - Hubble - mappa fotometrica

La barra colorata rappresenta lo scostamento rispetto ai valori medi per i tre filtri.
Fonte: http://www-ssc.igpp.ucla.edu/personnel/russell/papers/PhotometricAnalysis.pdf

Nell'immagine sottostante le aree identificate sulle immagini Hubble, sono state riportate su una foto scattata dalla sonda Dawn durante la OpNav 1, il 13 gennaio da una distanza di 383.000 chilometri.

Cerere - caratteristiche di superficie

Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

Ma oltre alle pubblicazioni ufficiali, c'è un gran fermento tra tutti gli image processor amatoriali (noi compresi!) per ottenere il massimo da questi pochi pixel non appena nuove immagini vengono rilasciate, assetati dal desiderio di scoprire i segreti di questo mondo ghiacciato.

Sul forum americano UMSF, ci sono tanti ragazzi che stanno facendo un gran lavoro sulle immagini di Dawn.
Gerald e Phil Stooke hanno realizzato diverse mappe per Cerere, da Hubble a Dawn. Sono versioni preliminari che avranno sicuramente bisogno di essere ritoccate ed affinate ma sono incredibilmente utili per avere una visione globale con quello che abbiamo finora a disposizione.

Tra le ultime elaborate, Phil ha messo a confronto una mappa ottenuta dalle immagini di Hubble con una mappa derivata dalle immagini della campagna OpNav3 di Dawn, riproiettate da Gerald in base al sistema di riferimento, assumendo la longitudine 0 a sinistra in accordo con le versioni già pubblicate in studi precedenti.

Mappe di Cerere

 Huble Image Credit: NASA, ESA, J. Parker (Southwest Research Institute), P. Thomas (Cornell University), L. McFadden (University of Maryland, College Park), and M. Mutchler and Z. Levay (STScI) / Phil Stooke, University of Western Ontario
Dawn Image Credit: NASA / JPL / UCLA / MPS / DLR / IDA / Gerald Eichstädt / Phil Stooke, University of Western Ontario

Le ultime elaborazioni, invece, più dettagliate rispetto alle precedenti, sono state ottenute con le ultime immagini della RC2.
Gerald ha riproiettato i frame.

Cerere - globo

Cerere - globo

Credit: Dawn Image Credit: NASA / JPL / UCLA / MPS / DLR / IDA / Gerald Eichstädt

E Phil Stooke ha creato la mappa integrandole con due immagini della RC1.

Cerere - mappa globale

Phil Stooke scrive nel commento che accompagna l'immagine: "L'area nera al polo sud è un errore nelle reproiezioni precedenti".
Credit: NASA / JPL / UCLA / MPS / DLR / IDA / Phil Stooke, University of Western Ontario

Ovviamente, la caratteristica che spicca maggiormente è proprio la "Doppia Macchia Bianca" la cui origine è tuttora sconosciuta anche se qualche ipotesi inizia a circolare.

Fresh Impact in the time  - Credit: NASA/JPL/University of Arizona Processing by 2di7 & titanio44 Potrebbe essere legata alla geologia di Cerere.
Sembra, infatti, esserci una connessione tra gli spot luminosi e il cratere. Potrebbe trattarsi di ghiaccio recentemente esposto, con un meccanismo simile a quello osservato su Marte quando un meteorite che colpisce la rossa superficie polverosa, forma una macchia scura intorno al punto di impatto e porta alla luce il ghiaccio sepolto nel sottosuolo (a sinistra: l'evoluzione di un impatto avvenuto nell'emisfero nord di Marte, disponibile in formato originale sul nostro album di Flickr).

Oppure potrebbe avere un'origine crio-vulcanica.
Non dimentichiamo, infatti, che nel 2013, utilizzando i dati dell'osservatorio spaziale dell'ESA Herschel, gli scienziati trovarono la prova diretta della presenza di vapore acqueo su Cerere, sotto forma di geyser simili a quelli presenti sulla luna dei Saturno, Encelado.

La forza del segnale rilevato da Herschel era variata a livello temporale, in ore, settimane e mesi a causa della rotazione del corpo e questo permise di localizzare le zone di emissione, rispettivamente due macchie scure già note: la regione Piazzi e la Region A della "Doppia Macchia Bianca".

Cerere - vapore acqueo

Credit: Adapted from Küppers et al.

Si ritiene che, quando l'orbita di Cerere oscilla più vicino al Sole, una porzione della sua superficie ghiacciata riesca a diventare abbastanza calda da provocare la fuoriuscita di pennacchi di vapore acqueo, ad una velocità di circa 6 chilogrammi al secondo. Quando Cerere si trova, invece, nella parte più fredda dell'orbita, la crosta si ghiaccia nuovamente e i geyser si chiudono.

E' ancora da stabilire, però, se i pennacchi rilevati provengono da veri e propri vulcani di ghiaccio o da un'attività simile a quella cometaria, in cui polveri, gas e ghiaccio semplicemente sublimano dalla superficie. E' da tener presente, infatti, che è piuttosto difficile che questo mondo in miniatura sia riuscito a mantenere un calore interno residuo dalla sua formazione, tale da supportare un'attività crio-vulcanica.

Bisogna anche notare che, seppur brillante, la "Doppia Macchia Bianca" non è la sola sulla superficie di Cerere e queste caratteristiche cambiano sensibilmente a seconda dell'incidenza della luce del Sole, così come avviene per le macchie scure. Se confrontate l'immagine dello spot brillante di Dawn con la regione A delle prime osservazioni, noterete che l'anello scuro intorno allo spot chiaro sembra essere scomparso. Forse si trattava di un artefatto dovuto alla bassa risoluzione delle riprese precedenti, o forse è realmente lì e verrà confermato dalle prossime foto.

Nelle due composizioni sottostanti ho messo a confronto le due immagini della RC1 e quelle della RC2 che mostrano più o meno la stessa faccia di Cerere. Le foto della RC1 sono state scalate alla dimensione di quelle della RC2 e, queste ultime sono state ruotate per portare alcuni elementi riconoscibili (annotati) più o meno nella stessa posizione.

Cerere  comparazione RC1 RC2

Cerere  comparazione RC1 RC2

Credit: NASA / JPL / UCLA / MPS / DLR / IDA / Elisabetta Bonora

Inoltre, è anche da tener presente che Cerere è molto poco riflettente.
Se tornate all'identikit pubblicato all'inizio di questo post, noterete che il suo albedo, ossia la frazione di luce riflessa, è appena del 10% e ciò rende la “Doppia Macchia Bianca” semplicemente una regione più chiara rispetto al resto ma non è detto che sia realmente bianca!

Cerere - albedo

Simulazione: luce ambientale 10%
Credit: NASA / JPL / UCLA / MPS / DLR / IDA / Elisabetta Bonora

Marc Rayman, capo ingegnere della missione Dawn presso il JPL, in commento sul Dawn Journal scrive:

Ceres reflects about nine percent of the sunlight. Based on RC1 pictures, the brightest spot seems to have an albedo of around 25%, or roughly three times Ceres’ average reflectivity. Of course, when we obtain higher resolution pictures, it may turn out that it is really a smaller and even brighter feature.

[Cerere riflette circa il nove per cento della luce solare. Sulla base delle immagini RC1, il punto più chiaro sembra avere un albedo di circa il 25%, ovvero circa tre volte la riflettività media di Cerere. Naturalmente, quando si otterranno immagini ad una risoluzione superiore, potrà risultare una caratteristica più piccola e ancora più luminosa].

Il commento di Rayman, pone l'accento anche su un altro aspetto importante ("potrà risultare una caratteristica più piccola e ancora più luminosa"), ossia quella che vediamo nelle immagini ora, non è la vera forma della caratteristiche ma un bagliore di pixel che, ad una risoluzione maggiore potrebbe apparire molto diverso.

Qui sotto una rielaborazione della foto scattata da Dawn, in cui ho cercato di migliorare il rumore, i dettagli e il contrasto ed un particolare dello scatto originale non blurrato per evitare di impastare ulteriormente i contorni già poco definiti.
Noterete che sembrano esserci degli sbuffi chiari intorno ai due spot.

Cerere - Doppia Macchia Bianca

Cerere - Doppia Macchia Bianca

A sinistra, un dettaglio ingrandito della Doppia Macchia Bianca, in nagativo in basso.
A destra, gli stessi frame più contrastati.
Credit: NASA / JPL / UCLA / MPS / DLR / IDA / Elisabetta Bonora

L'ultimo fatto che potrebbe sembrare curioso è che le due macchie appaiono allineate più o meno nella direzione da cui proviene la luce in questo scatto, il che potrebbe far pensare che una sia il riflesso dell'altra. Tuttavia, credo si tratti di due fenomeni entrambi reali, o di due caratteristiche legate allo stesso evento ma certamente è ancora veramente troppo presto per trarre altre conclusioni.

Tra l'altro, oltre agli spot brillanti, ci sono molti altri dettagli interessanti su cui concentrarsi.

Cerere - tipi di cratereAd esempio, si possono notare diversi tipi di crateri: alcuni più piccoli a forma di ciotola, altri più grandi dal fondo piatto, alcuni con un picco centrale e non perfettamente tondi.
Molti ricordano le superfici butterate di alcune lune di Saturno riprese dalla sonda della NASA Cassini.

Un cratere in particolare su Cerere è veramente grande, con un diametro di circa 300 chilometri, ed è incredibilmente piatto, con una liscia superficie interna interrotta solo da piccoli impatti. Sul sito Max Planck Institute leggiamo già le prime ipotesi: "questo suggerisce che il grande cratere è ciò che resta di un impatto relativamente giovane".
Ma nei mondi ghiacciati, i crateri possono essere profondi all'inizio e diventare piatti con il passare del tempo man mano che il ghiaccio più caldo scorre nel sottosuolo livellando la superficie e rialzando il fondo del bacino da impatto.

MIMAS and TETHYS

Mimas e Tethys riprese dalla sonda della NASA Cassini
"Courtesy NASA/JPL-California Institute of Tecnology." processing 2di7 & titanio44

Su Thetys, ad esempio, il cratere Odysseus ha un diametro pari a circa i due quinti della luna. L'orlo del cratere e picco centrale sono parzialmente crollati, lasciando un fondale poco profondo e suggerendo che il terreno doveva essere abbastanza elastico da deformarsi.

Analogamente, per Cerere i crateri potrebbero rimodellarsi nel corso delle sue orbite intorno al Sole.
Il pianeta nano, infatti, è un mondo ghiacciato ma non così freddo come altre lune del Sistema Solare: questo potrebbe garantire una superficie "rilassata" in grado di flettersi sotto l'azione di un impatto e/o delle variazioni termiche, quando il ghiaccio riesce a trasformarsi in vapore generando quei geyeser visti da Herschel al perielio.

Cerere - mappa termica

Temperatura massima all'equatore: -95°C (178 K) - Temperatura prevista al perielio: -38° C (circa 235 K)
Le temperature diminuiscono lentamente attraverso le medie latitudini.
Fonte: http://levee.wustl.edu/~mbland/pubs/Bland_13.pdf

Cerere - graffiIn basso a destra nell'immagine con la "Doppia Macchia Bianca" ci sono anche righe interessanti. Questi "graffi" potrebbero indicare un qualche tipo di attività tettonica passata o flessioni e contrazioni della crosta generate da cause esterne o episodi di crio-vulcanesimo, che potrebbe supportare l'idea dell'esistenza di vulcani di ghiaccio. Ma finora si tratta solo di idee azzardate che frullano in testa. Sarà il caso di prendersi una pausa ed attendere con ansia le prossime immagini che la sonda Dawn riprenderà il 6 marzo da una distanza di 40.000 km, con una risoluzione maggiore ma in controluce... già mi chiedo cosa sveleranno!

 

Riferimenti:
- http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2015/02251857-ceres-geology.html
- http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/the-fuzzy-face-of-ceres/
- http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2005/27/image/
- http://www.swri.org/9what/releases/2001/ceres.htm
- http://arxiv.org/pdf/0711.1152.pdf
- http://www.newscientist.com/article/dn10266-infrared-map-of-giant-asteroid-ceres-unveiled.html#.VPB_xi7_GBH
- http://levee.wustl.edu/~mbland/pubs/Bland_13.pdf
- http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103583711255?np=y
- http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2013/pdf/1655.pdf
- http://levee.wustl.edu/~mbland/pubs/Bland_13.pdf
- http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2013/pdf/1798.pdf
- http://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2015/03/aa25304-14/aa25304-14.html

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Nella vita lavorativa mi occupo di web, marketing e comunicazione, digital marketing.
Dedico il tempo libero alla mia dolcissima bimba Sofia Vega, a questo sito (creato nel 2012 in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte) ed al processing delle immagini raw scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

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