Cassini: 12 anni di esplorazione e il gran finale

“Don’t cry for Cassini” aveva twittato la NASA, ed è il momento di ricordarcelo perché oggi iniziano le manovre che porteranno questa mitica sonda a bruciare nell’atmosfera del pianeta degli anelli.

C’è ancora tempo, perché il Gran Finale si consumerà il 15 settembre del 2017. Ma proprio per questo ciò che accadrà da oggi in poi sarà di grande importanza scientifica.

Le agenzie spaziali ci hanno insegnato più volte (pensate a Rosetta) che a prescindere da tutto l’uscita di scena delle missioni spaziali deve essere grandiosa non per un vezzo, ma perché può e deve essere l’occasione migliore per fare Scienza.

La prima manovra di discesa

Oggi 30 novembre 2016 la missione Cassini della NASA inizierà una serie di orbite che la porteranno a spingersi oltre il bordo esterno degli anelli principali di Saturno (oltre le orbite dell’anello F), a 7.800 chilometri di distanza.

Da diversi mesi gli ingegneri NASA stanno effettuando correzioni di rotta volte a modificare l’orbita di Cassini in modo da aumentare la sua inclinazione rispetto all’equatore e agli anelli di Saturno. Oggi ci sarà un ulteriore passo, quello decisivo: la sonda beneficerà di una “spinta” gravitazionale di Titano per inserirsi nella prima delle fasi conclusive della sua missione. Grazie a questo passaggio Cassini orbiterà sopra e sotto ai poli del pianeta fino al 22 aprile, ruotando attorno ai poli e tuffandosi ogni sette giorni nel bordo esterno degli anelli principali, per un totale di 20 volte.

“Abbiamo due strumenti che possono raccogliere campioni di molecole e di gas quando attraverseremo gli anelli, quindi in un certo senso li graffieremo, li sfioreremo” spiega Linda Spilker, responsabile scientifica del progetto Cassini al Jet Propulsion Laboratory della NASA.

In molti di questi passaggi gli strumenti di Cassini cercheranno di campionare direttamente le particelle degli anelli e le molecole di gas deboli che si trovano vicino agli anelli. Durante le prime due orbite – spiega la NASA nel comunicato ufficiale – la sonda passerà direttamente attraverso un anello estremamente debole composto da piccoli meteoriti. Solo in marzo e aprile la sonda attraverserà le parti più esterne e polverose dell’anello F.

L’anello F segna il confine esterno del sistema di principale anelli; come potete vedere nell’animazione qui sopra Saturno ha diversi altri anelli, molto più rarefatti e più lontani dal pianeta. L’anello F è complesso e in continua evoluzione; le immagini di Cassini hanno messo in luce strutture luminose, filamenti e canali scuri che appaiono e si sviluppano nell’arco di poche ore. L’anello è abbastanza stretto, dato che ha una larghezza di circa 800 chilometri, e nel suo centro c’è una regione densa con una larghezza di circa 50 chilometri.

Earl Maize, direttore al JPL del progetto Cassini, spiega che “anche se voleremo più vicino all’anello F di quanto abbiamo mai fatto, saremo ancora a più di 7.800 chilometri, una distanza che non preoccupa per il pericolo delle polveri”.

Queste prime orbite ad anello offriranno l’opportunità senza precedenti di osservare da vicino le piccole lune che orbitano dentro o vicino ai bordi degli anelli, tra cui Pandora, Atlas, Pan e Daphnis.

Sfiorando i bordi degli anelli Cassini fornirà anche alcuni degli studi più ravvicinati sulle porzioni esterne degli anelli principali di Saturno (gli anelli A, B e F). In alcuni casi le immagini che potrà scattare Cassini avranno un livello di dettaglio mai visto nemmeno durante il suo arrivo nel 2004. Le foto degli anelli per tutta la loro larghezza inizieranno nel mese di dicembre, con un dettaglio di 1 km per pixel.

A marzo, quando si troverà all’ombra di Saturno, Cassini avrà modo di osservare gli anelli retroilluminati dal Sole, nella speranza di catturare nuvole di polvere espulsi da impatti meteorici.

Durante queste orbite, Cassini passerà a circa 90.000 chilometri sopra alle nubi di Saturno: sarà una fase emozionante, ma sarà solo un preludio a quello che ci attenderà a partire dal mese di aprile 2017, quando la sonda inizierà il Gran Finale.

Il gran finale

Ad aprile 2017 è previsto l’inizio del gran finale, che terminerà il 15 settembre con il tuffo nell’atmosfera di Saturno. Il motivo che ha portato gli scienziati a decidere per questa soluzione è che la sonda sta per esaurire il carburante e c’è l’esigenza di tutelare le lune di Saturno potenzialmente abitabili. A questo punto la soluzione scientificamente migliore è quella di progettare il fine missione in modo da condurre un’indagine straordinaria e non creare problemi al sistema di Saturno.

Leggi anche: Su Titano la vita potrebbe esistere anche senza acqua e Encelado: oceano e vita su una luna di Saturno?

Durante il gran finale Cassini passerà a 1.628 chilometri sopra alle nuvole di Saturno, e si tufferà più volte attraverso lo stretto passaggio tra Saturno e i suoi anelli, prima di bruciare al contatto con l’atmosfera del pianeta il 15 settembre.

Prima della data fatidica Cassini farà una breve accensione del motore principale, in programma il 4 dicembre. Questa manovra è importante per impostare in maniera corretta l’orbita per il resto della missione. “Sarà la 183° e ultima accensione del motore principale. Anche se avremmo comunque potuto decidere di utilizzare di nuovo il motore, il piano è quello di completare le manovre restanti sfruttando i propulsori” ha spiegato Maize.

Per prepararsi ulteriormente, Cassini sorvolerà e studierà l’atmosfera di Saturno durante la prima fase per determinare con maggiore precisione in che misura si estende sopra al pianeta. Gli scienziati infatti hanno osservato che l’atmosfera più esterna di Saturno si espande e si contrae leggermente con l’avvicendarsi delle stagioni. Tenuto conto di questa variabilità, gli scienziati potranno valutare meglio i passi successivi della missione e determinare quanto Cassini potrà volare vicini all’atmosfera in sicurezza.

Per maggiori dettagli tra cui i tempi, le distanze avvicinamento e altro, rimandiamo alla pagina ufficiale NASA. Tutti gli aggiornamenti in tempo reale sono sul canale Twitter della missione.

Cassini: una storia di scoperte emozionanti

La sonda Cassini, lanciata il 15 ottobre 1997, è entrata in orbita attorno a Saturno il primo luglio del 2004. Da allora ha iniziato un lungo viaggio fatto di grandi scoperte scientifiche e di immagini senza precedenti del Gigante Gassoso. Prima di Cassini, Saturno veniva osservato quasi esclusivamente da Terra con l’eccezione delle immagini e dei dati raccolti dalle sonde Pioneer 11 e Voyager 1 e Voyager 2, che hanno effettuato dei flyby del pianeta, rispettivamente nel 1979, nel 1980 e nel 1981.

Grazie alle immagini e ai dati raccolti durante questi flyby è stato possibile osservare più in dettaglio il complicato sistema di anelli che circonda Saturno, scoprire nuove lune e misurare per la prima volta la sua magnetosfera. Ma questi incontri ravvicinati sono stati troppi brevi per permettere di avviare studi più approfonditi.

Cassini ha cambiato completamente la nostra visione di Saturno! Nei 12 anni trascorsi a orbitare attorno al pianeta, a fotografare e studiare i suoi anelli e le sue lune, la sonda ha percorso circa 2.2 miliardi di miglia dal suo arrivo nel 2004 e ha raccolto circa 600 GB di dati, scoperto 10 lune, inviato circa 380.000 immagini. Grazie a questa grande quantità di dati è stato possibile studiare la composizione e la temperatura della parte superiore dell’atmosfera del pianeta al cambiare della stagione.

Così come la Terra, Saturno ha un asse di rotazione inclinato rispetto al piano dell’orbita. Tale inclinazione, pari circa a 26.7° (valore non molto diverso da quello terrestre pari a 23.4°) determina la presenza di un ciclo stagionale. Ogni stagione su Saturno dura, però, circa 7 anni terrestri a causa del suo maggiore periodo orbitale. Cassini è entrata in orbita attorno al pianeta approssimativamente poco dopo il solstizio d’estate nel suo emisfero Nord e la missione terminerà a settembre 2017, quindi poco dopo il Solstizio d’inverno che si avrà nel Maggio 2017.

In realtà la missione chiamata Cassini-Huygens, realizzata in collaborazione tra NASA, ESA e ASI, consiste di due elementi: l’orbiter Cassini fornito dalla NASA e la probe Huygens fornita dall’ESA. Il 14 gennaio 2005 la Huygens ha raggiunto la superficie di Titano, uno dei satelliti di Saturno. L’Italia contribuisce con lo spettrometro a immagine nel visibile e vicino infrarosso VIMS-V, l’esperimento RADAR e lo strumento HASI su Huygens, dedicato allo studio dell’atmosfera di Titano.

Ripercorriamo insieme le scoperte più importanti su Saturno ottenute grazie ai dati e alle meravigliose immagini realizzate da Cassini.

Un abisso gassoso e una gigantesca magnetosfera

Saturno ha un volume pari a 700 volte quello della Terra e si ritiene abbia un nucleo roccioso delle dimensioni di poco superiori a quelle del nostro pianeta. Quindi il Signore degli anelli è composto per la maggior parte da un calderone bollente di gas e idrogeno metallico compresso, mischiato ad Elio e tracce di altre molecole gassose.

L’atmosfera di Saturno è così profonda, densa e calda che in confronto le profonde fosse oceaniche della Terra sembrano un ambiente alquanto mite. Nonostante le evidenti e notevoli differenza tra Saturno e il nostro pianeta ci sono anche alcune somiglianze tra le quali la presenza dei cosiddetti jet stream. I jet stream sono delle correnti d’aria, strette e serpeggianti che si formano nell’atmosfera. Il jet stream maggiormente osservato su Saturno è però molto differente da quelli che si osservano per il nostro pianeta, esso è chiamato l’esagono. È stata osservata una corrente a getto esagonale attorno al polo Nord del pianeta, già nei primi anni 80 dalla missione Voyager.

In seguito, Cassini ha iniziato a studiare Saturno durante l’inverno, quando l’esagono era in ombra. Ha così analizzato il jet stream nell’infrarosso osservando il calore proveniente dall’interno del pianeta. Nel frattempo, quando il Nord del pianeta è entrato nella primavera, Cassini ha ripreso l’esagono nelle lunghezze d’onda della luce visibile, rivelando una forma straordinariamente simmetrica di circa 20.000 miglia (30.000 chilometri) in tutto, con venti a circa 200 miglia all’ora (322 chilometri all’ora).

Si tratta di un fenomeno a lunga durata poiché da quando è stato osservato per la prima volta fino ad ora è ancora lì, ma non è chiaro il meccanismo che lo genera.

I poli Nord e Sud del pianeta hanno mostrato anche delle bellissime tempeste che hanno impressionato per la loro forma sorprendentemente ordinata. Nel 2009 la camera di Cassini ha catturato per la prima volta un fulmine su Saturno e gli scienziati hanno registrato anche un breve video. È stata la prima volta in cui si è riusciti ad osservare un fulmine su un altro pianeta!

Forze provenienti dall’interno di Saturno creano una gigantesca bolla magnetica attorno al pianeta, chiamata magnetosfera, che esercita una forte influenza nello spazio attorno al pianeta. Il campo magnetico di Saturno si genera da materiale liquido che circola nel profondo interno del pianeta.

Un flusso di milioni di miglia all’ora di particelle elettricamente cariche (elettroni e ioni) proveniente dal Sole, chiamato vento solare, si diffonde attraverso il Sistema Solare. Quando il vento solare incontra il campo magnetico di Saturno, si forma la bolla protettiva della magnetosfera di Saturno. Al di fuori della magnetosfera del pianeta, le forze magnetiche del Sole dominano, mentre all’interno della bolla protettiva regnano le forze magnetiche di Saturno. Allo stesso modo il campo magnetico terrestre genera una magnetosfera, anche se molto più piccola, che ci protegge dalle particelle nocive emesse dal Sole e/o da altri fenomeni spaziali.

Gli spettacolari anelli

I bellissimi anelli di Saturno non hanno eguali in tutto il Sistema Solare! Infatti, sebbene tutti i pianeti giganti che orbitano attorno alla nostra stella possiedano un sistema di anelli, nessuno è così sviluppato come quello che osserviamo attorno a Saturno. Ben visibili da Terra anche con piccoli telescopi, gli anelli di Saturno sono stati osservati per la prima volta da Galileo Galilei.

Grazie a Cassini è stato possibile studiare la dimensione, la temperatura, la composizione e la distribuzione degli anelli di Saturno lungo le loro orbite.

Per studiare la dimensione e la distribuzione delle particelle all’interno degli anelli Cassini ha studiato le variazioni della luce di stelle lontane nel momento in cui passavano lungo la linea di vista degli anelli.

Grazie ai dati raccolti da Cassini è stato possibile osservare come gli anelli contengono sia grani piccoli di polvere sia corpi grandi quanto montagne. Sono stati inoltre osservati alcuni fenomeni noti ma prima di Cassini molto poco conosciuti. Tra questi i cosiddetti “spikes”. Osservati per la prima volta dalla sonda Voyager nel 1980, gli spikes sono così chiamati perché sono simili a dita, o strutture cuneiformi, e si dispongono radialmente negli anelli di Saturno ruotando insieme ad essi.

Si ritiene che gli spikes siano composti da particelle di ghiaccio sollevate da cariche elettrostatiche. Possono essere più lunghi di 10.000 miglia (16.000 chilometri), valore maggiore del diametro della Terra. Ma nonostante le loro dimensioni, possono apparire e scomparire abbastanza rapidamente. Si possono formare nel tempo necessario per fare colazione e poi sparire prima di sedersi per il pranzo.

L’oggetto più brillante del Sistema Solare

Cassini ha scoperto che alcune lune di Saturno rubano materiale agli anelli mentre altre forniscono materiale ad essi. Ad esempio l’anello E contiene materiale proveniente dai getti di gas e polveri della luna Encelado.

Encelado è l’oggetto più candido del Sistema Solare. Come un’immensa palla di neve riflette tutta la luce che riceve dal Sole. Per lungo tempo gli scienziati non sapevano perché Encelado fosse così brillante né conoscevano il legame tra questa luna e l’anello E. Cassini ha scoperto che sotto la superficie ghiacciata di questa meravigliosa luna c’è un grande oceano sotterraneo di acqua salata.

Ma non finisce qui! Dall’interno di Encelado si generano dei getti di materiale ghiacciato alla velocità di circa 400 m/s e che si estendono per centinaia di miglia nello Spazio. Tale materiale costituito da un mix di ghiaccio d’acqua, gas volatili, vapore acqueo, anidride carbonica, monossido di carbonio ed anche semplici prodotti chimici organici, fuoriesce da delle strutture sulla superficie di Encelado (situate in corrispondenza del polo Sud della luna) note come “Tiger stripes”. Il materiale che fuoriesce dall’interno della luna va ad alimentare l’anello E di Saturno.

L’anello E è in gran parte fatto di gocce di ghiaccio, ma tra loro ci sono nanoparticelle particolari. Cassini ha rilevato nanograni di silice, che possono essere generati solo dove l’acqua liquida e la roccia interagiscono a temperature superiori a 90 gradi Celsius. Ciò mette in evidenza la possibile presenza di sorgenti idrotermali in profondità sotto il guscio ghiacciato di Encelado, non molto diverse dalle bocche idrotermali che si trovano sul fondo del nostro oceano.

Linda Spiker, scientist project del Jet Propulsion Laboratory della NASA ha affermato che le scoperte riguardanti Encelado hanno cambiato la direzione della scienza planetaria. Queste scoperte sembrano infatti indicare la presenza di un oceano abitabile ben al di là della zona abitabile del Sistema Solare.

Titano – una luna particolare

Titano è stato studiato nel dettaglio grazie alla sonda Huygens dell’ESA: un veicolo spaziale unico di tecnologia avanzata che ha costituito una parte cruciale della missione Cassini. La sonda era larga circa 2,7 metri e pesava circa 318 kg. È stata costruita come un mollusco, con un guscio duro per proteggere l’interno delicato dalle alte temperature durante la discesa avvenuta in 2,25 ore (il 14 gennaio 2005) attraverso l’atmosfera della luna gigante di Saturno, Titano.

Titano è considerato un Earth-like world, ovvero un mondo simile alla nostra Terra. La varietà delle strutture osservate su Titano hanno sorpreso tutta la comunità scientifica. Ci sono fiumi, laghi, mari e dune equatoriali. Ma la sostanziale differenza è che in queste strutture non vi è acqua ma metano e etano allo stato liquido proveniente da piogge generate da nuvole di idrocarburi. Su questa misteriosa luna sembra esserci un ciclo ‘idrologico’ basato però su metano ed etano allo stato liquido.

Misure dell’atmosfera di Titano hanno rivelato la presenza di carbonio e azoto come principali costituenti, e poi composti organici in piccole quantità e altre sostanze chimiche che includono propilene e acido cianidrico velenoso. La varietà di prodotti chimici osservati indica una chimica complessa e ricca proveniente da metano e azoto che evolvono in molecole complesse, eventualmente formando smog che circonda la luna ghiacciata. Si ritiene che piogge di metano ed etano cadano dalle nuvole in atmosfera generando i fiumi e laghi osservati ma la fonte ultima del metano non è ancora chiara.

Numerose misure di gravità su Titano sembrano suggerire anche per questa luna la presenza di un oceano sotterraneo. Huygens, durante la sua discesa, ha misurato segnali radio che indicano la presenza di un oceano da circa 55 a 80 km di profondità sotto la superficie di Titano. Con questa scoperta anche questa luna si aggiunge alla lista dei corpi del Sistema Solare che potrebbero contenere potenziali ambienti abitabili.

Tante altre bellissime lune

Durante i suoi 12 anni di attività Cassini ha osservato la straordinaria varietà di lune presenti attorno a Saturno. Esse variano infatti in dimensione da corpi ‘piccoli’ quanto uno stadio di calcio a lune più grandi delle dimensioni poco superiori a quelle di Mercurio. Ma variano anche per colore, consistenza e composizione.

Le lune più grandi hanno una forma sferica e regolare, come Prometeo, altre hanno una forma simile a quella di una spugna (come Iperione) altre hanno la forma di una polpetta (come Janus) e altre ancora hanno una forma piuttosto irregolare (come Epimeteo).

Titano e Encelado hanno catturato grande attenzione, ma Cassini ha permesso di rivelare anche dettagli importanti su altre lune saturniane.

Ad esempio la luna Mimas (che somiglia alla Morte Nera di Star Wars con il suo cratere Huygens) si pensava fosse un mondo vecchio e morto, invece gli scienziati grazie a Cassini hanno trovato prove indirette della presenza di un possibile oceano sotto la sua superficie o almeno di un nucleo di ghiaccio d’acqua della forma di un pallone da calcio. Mimas e Encelado hanno la stessa dimensione ma su Mimas non si osservano i caratteristici getti d’acqua che si hanno invece per Encelado.

Cassini ha anche trovato atmosfere sottili (5 miliardi di volte meno dense all’atmosfera terrestre) intorno alle lune Dione e Rea.

È stato osservato inoltre che la forma spugnosa di Iperione sembra generare una carica statica.

Cassini ha anche risolto l’enigma secolare sul perché la luna Giapeto ha un emisfero bianco come la neve, mentre l’altro emisfero è quasi scuro come il carbone. Giapeto è in rotazione sincrona e quindi mostra sempre la stessa faccia a Saturno, mentre l’altro emisfero è sempre rivolto verso la direzione in cui orbita. È stato osservato che materiale scuro cade sul lato principale di Giapeto. Tale materiale sembra provenire dalla luna Phoebe che crea uno degli anelli di Saturno. Giapeto vola attraverso i suoi detriti che cadono sulla sua superficie e al tempo stesso il ghiaccio migra ai poli.

Sulla luna Teti, Cassini ha osservato dei misteriosi archi rossi. Nell’infrarosso gli archi rossi sono evidenti, come se qualcuno avesse tracciato delle linee con un pastello rosso gigante sulla superficie della luna. Gli archi non sembrano essere correlati alle caratteristiche fisiche della superficie della luna, come le valli o fratture e non sono distribuiti uniformemente sulla sua superficie ma sono stati osservati solo al Nord. Questi e molti altri misteri riguardo Saturno, le sue lune e i bellissimi anelli restano ancora da essere svelati.

Durante tutto questo tempo Cassini si è anche voltata a guardare la sua casa e mandare un saluto a tutti gli scienziati che gli hanno permesso di volare fino a Saturno e compiere questo bellissimo e incredibile viaggio!

Giulia Alemanno è dottoranda in astrofisica presso l’Università del Salento e fa parte del gruppo del laboratorio di planetologia di Lecce. La sua attività scientifica si basa sullo studio di superfici planetarie, in particolare del pianeta Marte, alla ricerca di segni della presenza di forme di vita estinte o attuali. Si occupa inoltre dello studio spettroscopio di materiali di interesse planetario. È coinvolta in iniziative di divulgazione scientifica ed è appassionata di fotografia. Ama osservare il cielo con il suo telescopio. Siamo felici di annunciarvi che collabora con Tom’s Hardware per la produzione di contenuti scientifici.