LA SONDA CASSINI-HUYGENS: LA SONDA DELLE MERAVIGLIE

La sonda Cassini-Huygens ha terminato la sua missione il 15 settembre 2017. La mole di dati ricavata è stata davvero impressionante. Sia relativa a Saturno, sia relativa alle sue lune. Tutto questo non fa esitare gli scienziati nel dire che ha, per certi versi, cambiato la nostra visione, se non dell’Universo, certamente del nostro Sistema Solare.

Rappresentazione artistica della sonda Cassini nell’orbita di Saturno – Credits: NASA/JPL-Caltech

Dando (letteralmente) i numeri relativi alla missione, si può dire che: hanno lavorato a questo progetto oltre 5000 ricercatori di 27 diverse nazionalità; è stata la sonda interplanetaria più grande mai costruita con i suoi 7 metri d’altezza e larga 4 metri, per 6 tonnellate complessive di peso (orbiter+”piccola” sonda Huygens+carburante); in questo spazio si trovavano: un’antenna parabolica di 4 metri, un magnetometro (di fatto un’asta) lunga 13 metri, 16 motori di assetto a idrazina, 12 km di cavi elettrici, unità di riscaldamento a radioisotopi (RTG), 22.000 connessioni elettriche, 12 differenti strumenti scientifici, 2 registratori digitali, 2 computer primari, 50 computer secondari, più di 2.400.000 comandi eseguiti, 453.048 immagini catturate, 653 GB di dati, 3.616 articoli ufficiali  scritti e dedicati alla missione e ai risultati osservativi, 10 nuove lune scoperte, 293 orbite attorno al pianeta, 127 sorvoli della luna Titano, 23 sorvoli di Encelado e 162 sorvoli su diverse altre lune del pianeta.

Il pianeta Saturno è stato per secoli un vero enigma; la prima osservazione al telescopio fu ad opera di Galileo Galilei (pochi mesi dopo la pubblicazione del suo libro Sidereus), il quale però non seppe dare subito un’immediata spiegazione a quella forma strana ed oblunga che vedeva nel suo strumento. Ricordiamo che Galileo non inventò il telescopio, ma fu il primo a puntare questo strumento verso il cielo. Saturno gli parve così strano nella sua forma che addirittura era convinto fosse tricorporeo. Lo strumento di Galileo non aveva una buona risoluzione ottica (ecco perchè Saturno gli sembrava così strano), ciò nonostante egli riuscì a fare incredibili osservazioni e trarre conclusioni molto vicine alla realtà.

Saturno tricorporeo disegnato da Galileo in una lettera a Belisario Vinta del 30 luglio 1610 – Credits: degli avanti diritto

Nel giugno 1610, Galileo inviò a diversi suoi corrispondenti il seguente anagramma di 37 lettere:

smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras

Nessuno risolse l’enigma, che Galileo poi svelò nella sua lettera del 10 luglio 1610 destinata Belisario Vinta (politico fiorentino): stravagantissima maraviglia.

Da quella estate del 1610, Saturno è diventato un oggetto di incredibile interesse. Ultimo dei pianeti osservabili ad occhio nudo, è quindi conosciuto fin dall’antichità, ma nessuno prima di Galileo seppe di quale “stravagantissima maraviglia” si trattasse.

Diverse sonde prima della Cassini, raggiunsero il pianeta inanellato, ma nessuna di esse vi stazionò attorno, furono tutte sonde di passaggio: Pioneer 11 passò a soli 21.000 km dall’atmosfera di Saturno il 1° settembre 1979; Voyager 1 a 120.000 km dalla superficie delle nubi saturniane il 12 novembre 1980; infine la Voyager 2 passò abbastanza distante da Saturno tanto da poterne fare delle foto che prendessero bene gli anelli nella loro interezza; questa sonda in realtà sfruttò Saturno per avere una maggiore spinta propulsiva ed avviarsi verso i pianeti più esterni Urano e Nettuno.

Il 15 ottobre 1997 fu poi la volta della sonda Cassini. Utilizzando Venere per due volte (26 aprile 1998 e 24 giugno 1999), la Terra una volta (18 agosto 1999) e Giove una volta (30 dicembre 2000), ottenne le spinte propulsive (fly-by o fionda gravitazionale) per lanciarsi verso Saturno, che raggiunse nel luglio 2004 con immissione in orbita esattamente il 1° del mese.

La sonda Cassini durante l’assemblamento – Credits: NASA/JPL-Caltech

La sonda Cassini portava con se una seconda sonda più piccola chiamata Huygens. Con un diametro di 3 metri e un peso di 350 kg, la piccola sonda si sganciò dalla sonda madre il 25 dicembre 2004 ed atterrò il 14 gennaio 2005. La piccola Huygens è riuscita a riprendere la discesa sul satellite e ha trasmesso alla sonda Cassini in orbita, circa 350 foto che sono poi state ritrasmesse a terra. Le previsioni volevano che le trasmissione fra Huygens e Cassini durassero per 15 minuti, invece la piccola sonda trasmise da Titano alla Cassini in orbita, per ben 2 ore, fino a quando la sonda madre non tramontò oltre l’orizzonte del satellite. Con i radiotelescopi da Terra però, si poté continuare a captare la piccola Huygens ancora per un ulteriore ora.

Il panorama di Titano visto dalla Huygens dopo l’atterraggio – Credits: NASA

Da quel 1° luglio 2004, la sonda Cassini ha continuato a mandare immagini e dati importantissimi, con il quale si è potuto verificare vecchie teorie, avanzarne di nuove, scoprire nuove lune e cose inaspettate.

Saturno visto dalla sonda Cassini – Credits: NASA

Gli obbiettivi dichiarati della missione furono: osservazione ravvicinata di Titano e analisi diretta della luna con l’atterraggio di Huygens; studio della magnetosfera di Saturno; studio degli anelli del pianeta; studio del pianeta.

Ma in realtà i meriti della sonda Cassini sono molti, molti di più.

  • 10 ottobre 2003: presentazione dei dati su un esperimento di conferma della relatività generale; durante il lungo viaggio, la sonda Cassini si è trovata nel 2002 in una posizione favorevole per questo esperimento: essa era infatti dall’altra parte del Sole rispetto alla Terra. L’astrofisico Bruno Bertotti ha proposto che venisse monitorato il tempo di viaggio delle onde radio emesse da Cassini per determinare la curvatura dello spazio-tempo attorno ad un oggetto di grande massa come il Sole. E’ in questo surplus di distanza che le onde emesse dalla sonda dovevano viaggiare per raggiungere la Terra, ritardarono così la loro ricezione a terra e questo ritardo è stato in grado di essere misurato e quantificato, e ha reso possibile verificare la teoria con una esattezza di cinquanta volte maggiore rispetto a quella dei precedenti esperimenti effettuati con le sonde Viking.
  • 1° giugno 2004: prima ancora dell’immissione in orbita, la sonda Cassini scopre il satellite S/2004 S 1 successivamente denominato Metone.
  • 20 giugno 2004: la sonda Cassini ri-scopre un secondo satellite catalogato come S/2004 S 2, successivamente nominato Pallane. Questo oggetto era già stato fotografato dalla Voyager 2 il 23 agosto del 1981 da 200.000 km di distanza e denominato come S/1981 J 14, ma all’epoca non si riuscì a determinarne l’orbita esatta.
  • 21 ottobre 2004: viene osservato e fotografato per la prima volta il piccolo satellite S/2004 S 5 successivamente denominato Polluce.
  • 31 dicembre 2004: dopo un sorvolo ravvicinato con la luna Giapeto, si evidenzia una cresta montuosa sulla linea equatoriale del satellite che ha una lunghezza di 1300 km, una larghezza di 20 km e un’altezza media è di 13 km. Alcuni picchi però arrivano fino a 20 km, sfiorando il primato di monti più alti del Sistema Solare (il cui record resta saldamente in mano al monte Olimpo su Marte, con i suoi 22 km).
  • 7 marzo 2005: si osserva su Encelado una debole atmosfera.
  • 16 aprile 2005: si scoprono un’ampia gamma di molecole complesse a base carbonio sopra Titano durante il 5° fly-by ad un’altezza di 1025 km.
  • 10 maggio 2005: scoperto il satellite S/2005 S 1 all’interno dell’anello A; oggi ribattezzato Dafni.
  • 20 marzo 2006: viene scattata una foto ai satelliti co-orbitanti Giano ed Epimeteo nell’anello G. I due sono in relazione orbitale e si comportano come un sistema ternario, il cui terzo corpo è Saturno. Una situazione abbastanza rara, ma non impossibile. I due infatti non si scontrano, ma si scambiano periodicamente di posto.
  • 27 luglio 2006: si confermano laghi di idrocarburi nel Polo Nord di Titano.
  • 30 maggio 2007: ufficialmente annunciata la scoperta del satellite denominato S/2007 S 4, successivamente ribattezzato Antea.
  • 12 marzo 2008: il fly-by a distanza ravvicinata sul Polo Nord di Encelado a soli 48 km d’altezza, rivela la presenza di acqua e composti organici nei pennacchi dei geyser di Encelado, con una temperatura superficiale superiore a 93° C.
  • dicembre 2009: si annuncia ufficialmente la presenza su Titano di un enorme lago di metano (battezzato Kraken) dall’estensione di 400.000 km quadri rilevato grazie allo spettrometro a infrarossi della sonda Cassini.
  • 20 maggio 2012: fly-by ravvicinato con il satellite Metone, da cui si evince la caratteristica forma a uovo e che sia privo di crateri a causa della continua caduta di materiale proveniente dall’anello E.
  • dicembre 2012: di scopre su Titano l’esistenza di un fiume lungo 400 km composto da metano e immissario del lago Kraken. Il fiume scorre all’interno di una vallata prima di immettersi nel lago.
  • 19 luglio 2013: una magnifica foto scattata mentre la sonda Cassini era nel cono d’ombra del pianeta a una distanza di 1.200.000 km, mette in evidenza per la prima volta l’estensione dei tenui anelli G ed E. Fra questi sono stati osservati sottili archi di anelli non completi che avrebbero origine da piccole lune che orbitano in quella zona e che hanno rilasciato questo materiale a seguito di scontri.
Saturno – Credits: NASA

La missione CASSINI ha completato il suo primo ciclo di osservazione di Saturno e del suo sistema di satelliti nel giugno 2008, e poi estesa fino al 2012. La fine missione venne fissata per il 15 settembre 2017 e limitata solo dalla necessità di evitare la possibile caduta sulla superficie di Titano o Encelado a causa della Planetary Protection, evitando così una possibile contaminazione di queste due lune che potrebbero ospitare forme primordiali di vita. La sonda Cassini infatti aveva 3 generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) che fornivano energia elettrica convertendo il calore prodotto dal decadimento radioattivo del plutonio in elettricità. Questo sistema rende il satellite indipendente dall’utilizzo di pannelli solari, là dove la radiazione della nostra stella è cento volte più bassa rispetto all’orbita della Terra. I tre RTG insieme fornivano 885 watt nella prima fase della missione e 630 watt al termine della missione nominale nel 2008.

La sonda Cassini nel cono d’ombra di Saturno con il Sole dietro al pianeta, permette la migliore delle visuali per l’osservazione degli anelli nella loro interezza – Credits: NASA

Di fatto ci sono state anche altre importanti osservazioni del sistema saturniano che hanno portato a dover verificare vecchie teorie o ad approfondire elementi emersi dalle foto precedentemente prese da altre sonde (soprattutto le Voyager). E’ il caso del grande esagono sul Polo Nord del pianeta. Questa formazione venne osservata dalla Voyager 1 nel 1980, ma non si ebbe modo di approfondire questa conformazione. Con il permanete stazionamento della sonda Cassini in orbita, è stato possibile monitorare la dinamica di movimento delle nubi e avanzare teorie valide. Due ricercatori dell’Università di Oxford, Ana Barbosa Aguiar e Peter Read hanno spinto del liquido a vorticare in una vasca circolare, con differenti velocità di rotazione dal bordo al centro. In situazioni di equilibrio, la forma più comune che compare è proprio un esagono. Ma forzando la mano, i due ricercatori hanno ottenuto dal triangolo all’ottagono.

Il Polo Nord di Saturno e il bellissimo esagono – Credits: NASA

Anche sugli anelli si sono avuti elementi fondamentali che hanno permesso di approfondire e migliorarne la conoscenza. E’ stato possibile misurare con precisione alcune divisioni, ad esempio fra l’anello A e l’anello F che è di 4000 km e questo spazio è nominato divisione di Roche; nell’anello B vicino alla divisione di Cassini, è presente una serie di increspature rese evidenti durante la fase in cui gli anelli sono perfettamente di taglio rispetto al Sole; queste increspature arrivano a proiettare anche ombre lunghe 2,5 km. Si ipotizza che queste altri non siano che determinate dal passaggio di piccoli satelliti di dimensioni non oltre il km che perturbano il materiale della zona; l’anello C è inframmezzato da 4 piccole divisioni scoperte dalla sonda Cassini e che sono state successivamente nominate Colombo (dall’astrofisico Giuseppe Colombo), Maxwell, Bond e Dawes; il tenue anello D visto per la prima volta dalla Voyager 1, viene osservato dopo 25 anni dalla Cassini, la quale vide che questo anello era più vicino a pianeta di 200 km rispetto alla precedente rilevazione, ciò che si è concluso è che questo anello è di fatto instabile e destinato a cadere nel pianeta.

Ombre proiettate dalle increspature sugli anelli quando sono di taglio rispetto al Sole – Credits: NASA

Molto rilievo nella missione è stato dato ai satelliti di Saturno, dalle lune maggiori alle lune pastore all’interno degli anelli e alle lune irregolare più lontane. La missione ha permesso di fare sorvoli ravvicinati di alcuni di questi oggetti minori per osservane le caratteristiche sia fisiche che orbitali. Ciò ha permesso di determinare la dinamica e il comportamento di alcune lune pastore, come le perturbazioni nell’anello F causate dai passaggi di Prometeus e Pandora, o la forma al quanto bizzarra di Pan dovuta al suo fagocitare il materiale all’interno della sua divisione (la divisione di Encke) svolgendo al meglio il suo ruolo di pastore nella zona di sua competenza (ma a causa dell’abbuffata continua, gli è cresciuta la pancia).

La luna pastore Pan – Credits: NASA

La sonda Cassini ha anche permesso di studiare e scoprire le famiglie dei satelliti lontani da Saturno, ma comunque gravitazionalmente legati al pianeta. Di fatto sono tre le famiglie fondamentali: famiglia Inuit, famiglia Gallica, famiglia Nordica. Questi satelliti sono considerati famiglie in quanto condividono lo stesso moto, l’inclinazione sul piano orbitale, la distanza dal pianeta e perché esteticamente sembrano simili per composizione di materiali.  Inoltre, hanno tutti forma irregolare.

Gruppo Inuit ha cinque lune, si trovano a una distanza compresa fra  186 e i 297 raggi di Saturno e hanno una inclinazione orbitale 45°-50°; la più grande di queste lune ha un diametro di 40 km.

Gruppo Gallico è composto da quattro lune si trovano a una distanza compresa fra  207 e i 302 raggi di Saturno e hanno una inclinazione orbitale 35°-40°; la più grande di queste lune ha un diametro di 32 km.

Gruppo Nordico è composto da 29 lune e sono dotate di moto retrogrado; hanno una inclinazione orbitale 137°-177°; la più grande di queste lune ha un diametro di 18 km.

Le lune di Saturno sono davvero tantissime e mi piace riportare le parole dell’astrofilo Emilio Sassone Corsi scritte nel suo libro IL SIGNORE DEGLI ANELLI:

E’ più realistico dire che i satelliti di Saturno sono infiniti. E’ sicuramente il più complesso sistema di oggetti che ruota attorno ad un pianeta del Sistema Solare.

L’inclinazione assiale e il semiasse maggiore sono rappresentati rispettivamente dagli assi Y e X. L’eccentricità delle orbite sono indicate dai segmenti che uniscono il pericentro con l’apocentro. I satelliti con inclinazioni positive hanno moto diretto, quelli con inclinazioni negative, moto retrogrado.

Cassini ha permesso anche ad analizzare in dettaglio la magnetosfera di Saturno, arrivando a determinare una fluttuazione del campo magnetico ogni 10 ore e 47 minuti; per ora è stato difficile determinare il motivo effettivo di questo cambiamento, che ha una sua corrispondenza nel campo delle onde radio ( radiazione chilometrica di Saturno o SKR). La magnetosfera resta comunque fortemente influenzata dal materiale espulso dai geyser di Encelado. La composizione di questi materiali è dominata da ioni e molecole prodotte dalla combinazione di componenti idrici espulsi dai geyser.

Encelado – Credits: NASA

Per terminare, la missione Cassini è frutto di una vasta collaborazione NASA (USA), ESA (Europa) e ASI (Italia). Il contributo italiano in questa missione è stato grande e importante. L’ASI è uno dei partners  della missione Cassini: in base ad un accordo di collaborazione con la NASA ha sviluppato per la Cassini l’antenna ad alto guadagno con incorporata un’antenna a basso guadagno (che assicurano le telecomunicazioni con la Terra per l’intera durata della missione), lo spettrometro VIMS, il sottosistema di radioscienza  (RSIS) e il Radar che utilizza anch’esso l’antenna ad alto guadagno. L’ASI ha inoltre sviluppato, per la sonda Huygens, lo strumento HASI che ha misurato le proprietà fisiche dell’atmosfera e della superficie di Titano.

Per terminare, un video della stanza di controllo missione degli ultimi istanti della sonda Cassini, gli istanti dove il segnale si spegne per sempre.

In attesa che una nuova sonda visiti il sistema di Saturno….GODSPEED CASSINI!! … e grazie di tutto! Ora siamo più ricchi di conoscenza grazie a te!

Questa immagine di Encelado è stata presa dalla sonda Cassini il 13 settembre 2017; è una delle ultime foto – Credits: NASA

Fonti: Tutti gli articoli dal 2010 al 2017 dell’INAF. Il contributo ASI alla missione Cassini. Wikipedia Cassini pagina francese. Caratteristiche della strumentazione di bordo. La pagina NASA dedicata al GRAN FINALE di Cassini. Supporto tematico grazie al libro IL SIGNORE DEGLI ANELLI di Emilio Sassone Corsi ed.: GREMESE