Juno si prepara al salto dell’ombra di Giove

Giuno è la missione della Nasa il cui obiettivo è quello di studiare in dettaglio Giove, il quinto pianeta del Sistema solare. Lanciata nel 2011, dopo un viaggio nello spazio profondo lungo cinque anni nel luglio del 2016 Juno è entrata in un’orbita di 53 giorni che percorre a una velocità dalla quale non si era mai discostata di molto.

Questa gif animata mostra il punto di vista di Juno durante il flyby di Giove del 3 novembre prossimo a seguito della manovra propulsiva effettuata il primo ottobre scorso per evitare l’eclissi. Il Sole è il punto giallo che si alza appena a sinistra del pianeta. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Swri

Lo scorso primo ottobre, però, è stato necessario farlo. Il veicolo spaziale ha infatti eseguito con successo una manovra propulsiva durata quasi 11 ore – straordinariamente lunga per gli standard della missione – necessaria affinché per il prossimo flyby che ci regalerà, previsto per il 3 novembre prossimo, non sia anche l’ultimo. Senza questa manova, infatti, Juno si sarebbe trovata nel cono d’ombra d’una lunga eclissi di Sole – lunga al punto da poter risultare fatale per quello che è il primo veicolo alimentato a energia solare che si trovi a operare così lontano dal Sole. Dodici ore all’ombra di Giove: tanto sarebbe durata l’oscurità in assenza di un intervento. Un tempo che avrebbe comportato l’esaurimento della batteria, con il conseguente congelamento del veicolo e la probabile entrata in un sonno profondo dal quale non sarebbe stato più in grado di svegliarsi.

La manovra, iniziata alle 01:46 ora italiana e terminata intorno all’ora di pranzo dello stesso giorno, ha richiesto circa 73 kg di carburante e ha permesso di aumentare la velocità orbitale di Juno di 203 Km/h. Un burn – così si chiama in gergo una manovra orbitale – durato cinque volte più a lungo di qualsiasi altro effettuato nel corso della missione.

«Con il successo di questo burn», dice Scott Bolton, principal investigator di Juno al Southwest Research Institute di San Antonio, «siamo sulla buona strada per saltare l’ombra del 3 novembre. È stata una soluzione incredibilmente creativa a quella che sembrava una geometria fatale. Le eclissi non sono generalmente amiche di un veicolo spaziale a energia solare. Ora, invece di preoccuparmi del suo congelamento, non vedo l’ora di vedere la prossima scoperta scientifica che Giove ha in serbo per Juno»

«La pianificazione della missione pre-lancio non prevedeva una lunga eclissi che avrebbe fatto precipitare nell’oscurità il nostro veicolo spaziale ad energia solare», aggiunge Ed Hirst, project manager di Juno al Jet Propulsion Laboratory della Nasa a Pasadena, in California. «Il fatto che abbiamo potuto pianificare ed eseguire la manovra necessaria mentre operavamo nell’orbita di Giove è una testimonianza dell’ingegnosità e dell’abilità del nostro team, insieme alla straordinaria capacità e versatilità del veicolo spaziale».

«Con la manovra si è evitato l’altissimo rischio di perdere la sonda dietro il pianeta nel corso l’eclissi che avverrà durante il passaggio ravvicinato dell’orbita 23», conferma a Media Inaf Alberto Adriani dell’Inaf Iaps di Roma, responsabile scientifico dello spettrometro Jiram (Jovian InfraRed Auroral Mapper) a bordo di Juno, «Molto ancora ci si aspetta da Juno per il futuro. Si sta infatti già studiando una proposta per il prolungamento della missione dopo il 2021 che, attualmente, sarebbe il termine ufficiale». Quanto a Jiram, «funziona ancora egregiamente», dice il ricercatore, « senza alcun segno di deterioramento. Speriamo continui così fino alla fine della missione».

 

Nubi d’acqua nella Grande macchia rossa

La Grande macchia rossa si trova in corrispondenza dell segno nero al centro di questa immagine a infrarossi di Giove. È scura a causa delle nuvole spesse che bloccano le radiazioni termiche. La striscia gialla denota la porzione dell’area presa in considerazione dall’analisi di Bjoraker. Crediti: Nasa’s Goddard Space Flight Center/Gordon Bjoraker

Per anni gli scienziati hanno lavorato per comprendere la composizione di Giove. Non c’è da meravigliarsi: questo misterioso pianeta è di gran lunga il più grande del nostro Sistema solare e, dal punto di vista chimico, il più simile al Sole. La comprensione di Giove è anche la chiave per saperne di più non solo su come si è formato il nostro Sistema solare ma anche su come si possano essere sviluppati altri sistemi planetari. Una domanda, in particolare, ha tormentato gli astronomi per generazioni: c’è acqua nell’atmosfera di Giove? Se si, quanta?

Gordon Bjoraker, astrofisico al Goddard Space Flight Center della Nasa a Greenbelt, nel Maryland, ha da poco pubblicato insieme al suo team un articolo su The Astronomical Journal che ci porta un passo più vicini all’ottenere una risposta a questa domanda.

Usando telescopi da terra sensibili agli infrarossi, e dunque alla radiazione termica che fuoriesce dalle profondità della Grande macchia rossa (una tempesta persistente), i ricercatori hanno rilevato tracce chimiche di acqua nelle nubi più profonde del pianeta. Tenendo conto della pressione dell’acqua e delle misure relative al monossido di carbonio, i ricercatori sono giunti a concludere che Giove contenga da due a nove volte più ossigeno del SoleUna conclusione, questa, a favore dei modelli teorici e delle simulazioni al computer che prevedono una presenza abbondante di acqua sul gigante gassoso. 

Le dense nuvole all’interno della Grande macchia rossa ostacolano la fuoriuscita di energia elettromagnetica, rendendo così difficile per gli astronomi ottenere informazioni su tutto ciò che riguarda la chimica al loro interno. Ma una nuova tecnologia spettroscopica, unita alla curiosità, ha dato al team la spinta per tentare comunque di scrutare all’interno di Giove. «Si è scoperto che non sono così spessi da pregiudicare la nostra capacità di vedere in profondità», dice Bjoraker a proposito degli strati di nubi, «e allora ci siamo detti: bene, vediamo cosa salta fuori». D’altronde, «le lune che orbitano attorno a Giove sono principalmente di ghiaccio», ricorda il ricercatore, «dunque l’intero vicinato è ricco d’acqua. Perché mai non dovrebbe esserne ricco a sua volta quell’immenso pozzo gravitazionale che è Giove?».

I dati raccolti dal team di ricerca completeranno le informazioni che la sonda Juno sta raccogliendo nella sua orbita di 53 giorni attorno al pianeta. Tra le altre cose, Juno sta cercando acqua con un proprio spettrometro a infrarossi e con un radiometro a microonde in grado di sondare in profondità più di qualsiasi altro strumento: fino a 100 bar, o 100 volte la pressione atmosferica sulla superficie terrestre.  Secondo Amy Simon, esperta di atmosfere planetarie al Goddard, se Juno restituisse risultati sull’acqua in linea con quelli ottenuti da terra dal team di Bjoraker, potremmo avere un nuovo metodo per risolvere l’enigma dell’acqua su Giove. «Se funziona», aggiunge la ricercatrice, «allora forse possiamo applicarlo anche altrove – a Saturno, a Urano o a Nettuno, dove non abbiamo una sonda come Juno».

Gordon L. Bjoraker, primo autore dello studio. Crediti: Gsfc/Nasa

Nella ricerca dell’acqua, i ricercatori hanno utilizzato i dati raccolti dalla vetta di Mauna Kea alle Hawaii, nel 2017. Hanno fatto affidamento sul più sensibile telescopio terrestre a infrarossi sulla Terra, quello del Keck Observatory, e su iShell, un nuovo strumento in grado di rilevare una più ampia gamma di gas presso l’Infrared Telescope Facility della Nasa. L’idea era quella di analizzare l’energia elettromagnetica emessa attraverso le nubi di Giove al fine di identificare le altitudini dei suoi strati nuvolosi – ciò avrebbe aiutato gli scienziati a determinare la temperatura e le altre condizioni che influenzano i vari tipi di gas che possono sopravvivere in quelle regioni. Quello che gli esperti si aspettavano erano tre strati nuvolosi: uno strato inferiore fatto di ghiaccio e acqua allo stato liquido, uno centrale di ammoniaca e zolfo, e uno superiore fatto di ammoniaca. Per confermare tale previsione con la strumentazione da terra, Bjoraker e il suo team hanno esaminato le lunghezze d’onda nell’intervallo di luce infrarossa, in cui la maggior parte dei gas non assorbono calore, consentendo così l’emergere delle “firme chimiche”. Nello specifico, hanno analizzato i modelli di assorbimento di una forma di gas metano. Poiché Giove è troppo caldo perché il gas metano congeli, la sua distribuzione dovrebbe essere uniforme su tutto il pianeta. «Se si osserva che le righe di assorbimento del metano variano dall’interno all’esterno della Grande Macchia Rossa», spiega Bjoraker, «non è dunque perché in alcune regioni c’è più metano che in altre, bensì perché in certe zone le nubi sono più spesse e più profonde, e dunque bloccano l’emissione».

Il team di ricerca ha trovato prove a favore del modello a tre strati di nubi nella Grande Macchia Rossa. Lo strato di nubi più profondo deve avere una pressione attorno ai 5 bar – dove a quelle temperature si raggiunge il punto di congelamento dell’acqua. «È dunque molto probabile che abbiamo trovato una nube d’acqua», continua Bjoraker. La posizione della nube d’acqua, combinata con la quantità di monossido di carbonio che i ricercatori hanno identificato su Giove, conferma che il pianeta è ricco di ossigeno, e quindi di acqua. Per ottenere un quadro completo dell’abbondanza globale di acqua sul pianeta, però, la tecnica di Bjoraker deve ora essere messa alla prova in altre regioni, e i dati devono quadrare con quelli di Juno.

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Juno scopre un nuovo vulcano sulla luna Io

Ecco la posizione della nuova fonte di calore nell’emisfero meridionale della luna di Giove Io. L’immagine è stata generata da dati raccolti il 16 dicembre 2017 dallo strumento Jovian Infrared Auroral Mapper (Jiram) a bordo della missione Juno della Nasa quando la sonda spaziale era a circa 470 mila chilometri dalla luna di Giove. Come leggere questa immagine a infrarossi: più il colore è luminoso, più è alta la temperatura registrata da Jiram. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Swri/Asi/Inaf/Jiram

Perfettamente in tema con questa torrida estate, la luna Io (la più interna fra quelle regolari del sistema gioviano) è davvero il corpo vulcanicamente più attivo dell’intero Sistema solare. Di recente, infatti, i dati raccolti dalla sonda Juno della Nasa hanno confermato l’esistenza di un altro hot spot (punto vulcanico caldo, in italiano) sulla luna di Giove. Nello specifico, la scoperta è stata effettuata sfruttando la potenza di Jiram (Jovian InfraRed Auroral Mapper), uno degli otto strumenti montati su Juno: finanziato dall’Agenzia spaziale italiana e realizzato da Leonardo-Finmeccanica, vede la responsabilità scientifica dell’Istituto nazionale di astrofisica.

Lo strumento italiano è stato progettato per studiare principalmente la dinamica e la chimica proprio delle aurore gioviane, ma gli esperti lo hanno puntato verso il polo Sud del satellite naturale del quinto pianeta del Sistema solare. Potrebbe trattarsi di «un vulcano (o una patera, simile ad una caldera), precedentemente sconosciuto sulla piccola luna di Giove», ha spiegato Alessandro Mura, ricercatore presso l’Inaf di Roma e vice responsabile dello strumento Jiram. I dati a infrarossi sono stati raccolti il 16 dicembre 2017, quando Juno era a circa 470 mila chilometri di distanza dalla luna Io.

Finora le missioni della Nasa che hanno visitato il sistema gioviano (Voyager 1 e 2, Galileo, Cassini e New Horizons), insieme alle osservazioni a terra, hanno localizzato oltre 150 vulcani attivi su Io, ma gli scienziati stimano che altri 250 sono in attesa di essere scoperti. «Io ha più di 400 vulcani attivi ed è l’oggetto geologicamente più attivo del Sistema solare. Il motivo di questa attività è legato alla sua vicinanza con il gigante gassoso e con le sue compagne Europa e Ganimede. Essi inducono una fortissima attività mareale che, da un lato blocca l’orbita di Io (che è infatti in risonanza con quella degli altri satelliti Europa e Ganimede), dall’altro dissipa energia sotto forma di attività geologica. Questa sfocia nella formazione di vulcani e patere, che rilasciano zolfo e biossido di zolfo nell’atmosfera e le cui emissioni si elevano fino a 500 chilometri di altezza», ha aggiunto.

Il vulcano confermato con Jiram si trova a 300 chilometri dall’hot spot più vicino mappato precedentemente. Mura ha specificato: «Non si possono escludere movimenti o modifiche di un hot spot scoperto in precedenza, anche se, data la distanza, questo non appare molto plausibile. Anche altri hot spot presenti nell’immagine di Jiram, seppure forse già identificati in precedenza, mostrano dei significativi mutamenti. I dati mostrano la complessità e dinamicità della superficie di Io. Il team di Jiram è attualmente impegnato nello studio di questi nuovi dati, che verranno sottomessi a breve per una pubblicazione su rivista scientifica».

La sonda Juno è stata lanciata ad agosto 2011 dalla base di Cape Canveral ed è in orbita attorno a Giove dal luglio del 2016. Da allora ha percorso 235 milioni di chilometri. Di recente la missione è stata estesa fino al 2022, con il termine delle operazioni scientifiche a luglio 2021.

Juno svela le profondità dei venti di Giove

Attorno a Giove in 95 minuti: immagini da Juno durante un’orbita, dal Polo Nord (a sinistra) al Polo Sud (a destra). Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Tre articoli appena pubblicati su Nature rispondono a una domanda che gli scienziati si pongono da quando Galileo osservò per la prima volta le famose bande di Giove: queste bellissime strisce colorate sono un fenomeno che interessa solo la superficie o coinvolgono uno strato significativo del pianeta stesso? Yohai Kaspi del Weizmann Institute ha condotto la ricerca presentata in uno dei tre articoli, nella quale sono state analizzate le misure effettuate dalla sonda spaziale Juno della Nasa. Tali misure hanno permesso di rivelare che le strisce – venti vorticosi che circondano il pianeta e che raggiungono velocità superiori a 400 km/h – si estendono fino a una profondità di circa 3.000 km. Questa stima è leggermente superiore a quelle precedenti e sta comportando una revisione, da parte degli scienziati, dei modelli dell’atmosfera di Giove e dei suoi strati interni.

Rappresentazione artistica di Juno. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech

Juno è la missione della Nasa (ad ampia partecipazione italiana), sviluppata nell’ambito del Programma New Frontiers, che sta studiando il pianeta Giove attraverso una sonda mantenuta in orbita polare. Juno orbita attorno a Giove in 53 giorni, offrendo la possibilità di “vedere” cosa c’è al di sotto della superficie del pianeta. Tra le misure effettuate da Juno ci sono quelle del campo gravitazionale del pianeta, che vengono fatte tramite le onde radio, sfruttando l’effetto Doppler: quando la gravità del pianeta spinge la sonda nel suo fly-by, il segnale radio che riceviamo dalla sonda viene spostato leggermente in lunghezza d’onda; questo spostamento, sebbene molto piccolo, è misurabile e indicativo del campo gravitazionale di Giove. Poiché i fly-by vengono effettuati ogni volta in orbite diverse, è possibile campionare il campo gravitazionale in diverse parti del pianeta.

Kaspi, insieme a Eli Galanti, entrambi del Dipartimento di scienze della terra e scienze planetarie del Weizmann Institute, si era preparato a questo genere di analisi ancor prima che Juno venisse lanciato, quasi sette anni fa. Durante questo periodo, gli scienziati hanno messo a punto gli strumenti matematici per analizzare i dati del campo gravitazionale, che stanno permettendo ora di comprendere l’atmosfera di Giove. Le fasce vorticose che circondano il pianeta, spiega Kaspi, sono molto più forti dei venti che soffiano sulla Terra e persistono da almeno centinaia di anni. Poiché questi flussi fluiscono in bande da est a ovest o da ovest a est, perturbano la distribuzione della massa del pianeta. Misurando lo sbilanciamento gravitazionale – ossia i cambiamenti nel campo gravitazionale del pianeta – i loro strumenti analitici sono in grado di valutare quanto le tempeste si estendano in profondità, al di sotto della superficie.

Le strisce colorate di Giove sono cinture di nuvole che si estendono per migliaia di chilometri. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/SwRI/Mss/Kevin M. Gill

Gli scienziati sono andati alla ricerca di evidenze del discostarsi del pianeta da una sfera perfetta. Si aspettavano una ben definita anomalia indotta dalla rotazione del pianeta, che lo fa deviare dalla forma sferica rendendolo uno sferoide oblato, ma ulteriori anomalie nelle misure sarebbero molto probabilmente da imputare ai venti presenti nella sua atmosfera. «Poiché Giove è fondamentalmente una gigantesca palla di gas», spiega Kaspi, «ci aspettavamo che non ci sarebbero state asimmetrie nel campo gravitazionale tra nord e sud». Tuttavia, nel 2013, mentre la sonda era ancora in rotta verso Giove, Kaspi ha calcolato che, poiché esiste un’asimmetria tra i venti presenti nell’emisfero nord e quelli nell’emisfero sud, questa differenza dovrebbe produrre un segnale gravitazionale misurabile. Quando arrivarono i risultati di Juno, rilevarono grandi differenze nel campo gravitazionale tra nord e sud. «La cosa straordinaria», dice Galanti, «è che siamo stati in grado di misurare direttamente la firma di questi flussi». Basandosi sull’asimmetria nei campi gravitazionali tra nord e sud, i ricercatori hanno stabilito che le fasce vorticose di Giove – le strisce osservate da Galileo – si estendono per 3.000 km di profondità. Inoltre, Kaspi e Galanti hanno sviluppato un metodo per determinare non solo la profondità complessiva dei flussi, ma anche come tali flussi, nascosti sotto le nuvole di Giove, cambiano in funzione della profondità.

I calcoli effettuati dai ricercatori mostrano che l’atmosfera di Giove costituisce l’1 per cento della sua massa totale. Potrebbe non sembrare molto ma, in confronto, l’atmosfera della Terra è meno di un milionesimo della sua massa totale. «Questo valore è molto più di quanto ci aspettassimo e più di quanto si conosce per gli altri pianeti nel Sistema Solare», dice Kaspi. «Fondamentalmente, tale massa è pari a quella di tre Terre che si stanno muovendo a velocità di decine di metri al secondo».

Il Polo Sud di Giove, immortalato durante un sorvolo di Juno il 16 dicembre 2017. Crediti: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/David Marriott.

Il primo dei tre articoli, guidato da Luciano Iess della Università la Sapienza di Roma, presenta i risultati dell’asimmetria nel campo gravitazionale del pianeta. Il secondo presenta i risultati ottenuti da Kaspi, Galanti e dai loro colleghi sulla profondità dell’atmosfera di Giove. Usando questi risultati, il terzo articolo, guidato da Tristan Guillot dell’Osservatorio della Costa Azzurra, guarda più in profondità nell’atmosfera gioviana, suggerendo che al di sotto dello strato dei forti venti, il gas ruota pressoché come un corpo unico, quasi come fosse un solido. Questi tre articoli stanno contribuendo a costruire una nuova immagine di Giove, dagli strati nuvolosi più alti fin verso l’interno.

Per quanto riguarda il nucleo di Giove, il tema rimane ancora aperto: i ricercatori mirano ad analizzare ulteriori misure per vedere se Giove ha un nucleo solido e, in tal caso, determinarne la massa. Rispondere a questa domanda potrà aiutarci a capire come si è formato il Sistema solare e i suoi pianeti. Infine, Kaspi e Galanti, usando gli stessi metodi che hanno sviluppato per caratterizzare i flussi, stanno cercando di capire quanto sia profonda la grande macchia rossa di Giove. Sperano di capire, tra le altre cose, perché questa tempesta gigante, che è rimasta stabile per tutto il tempo in cui sono esistiti telescopi che l’hanno potuta osservare, si è ridotta negli ultimi anni.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature l’articolo “Measurement of Jupiter’s asymmetric gravity field” di L. Iess, W. M. Folkner, D. Durante, M. Parisi, Y. Kaspi, E. Galanti, T. Guillot, W. B. Hubbard, D. J. Stevenson, J. D. Anderson, D. R. Buccino, L. Gomez Casajus, A. Milani, R. Park, P. Racioppa, D. Serra, P. Tortora, M. Zannoni, H. Cao, R. Helled, J. I. Lunine, Y. Miguel, B. Militzer, S. Wahl, J. E. P. Connerney, S. M. Levin & S. J. Bolton
  • Leggi su Nature l’articolo “Jupiter’s atmospheric jet streams extend thousands of kilometres deep” di Kaspi, E. Galanti, W. B. Hubbard, D. J. Stevenson, S. J. Bolton, L. Iess, T. Guillot, J. Bloxham, J. E. P. Connerney, H. Cao, D. Durante, W. M. Folkner, R. Helled, A. P. Ingersoll, S. M. Levin, J. I. Lunine, Y. Miguel, B. Militzer, M. Parisi e S. M. Wahl
  • Leggi su Nature l’articolo “A suppression of differential rotation in Jupiter’s deep interior” di Guillot, Y. Miguel, B. Militzer, W. B. Hubbard, Y. Kaspi, E. Galanti, H. Cao, R. Helled, S. M. Wahl, L. Iess, W. M. Folkner, D. J. Stevenson, J. I. Lunine, D. R. Reese, A. Biekman, M. Parisi, D. Durante, J. E. P. Connerney, S. M. Levin e S. J. Bolton

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Juno: il crepuscolo al polo Sud di Giove

Il pianeta Giove ripreso dalla sonda Juno. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Swri/Msss/Gerald Eichstädt

La linea immaginaria che separa il lato diurno da quello notturno di un pianeta si chiama “terminatore” o “zona crepuscolare”. Il fenomeno è visibile anche su altri oggetti illuminati dal nostro Sole e la sonda della Nasa Juno lo ha fotografato magistralmente sul pianeta Giove con la JunoCam.

Scattata durante l’unidicesimo flyby (passaggio ravvicinato) della sonda attorno al quinto pianeta del Sistema solare, nella foto d’artista è possibile ammirare lo spettacolo danzante dei vortici in formazione attorno al polo Sud e in movimento verso la zona equatoriale di Giove. Questo ritratto risale al 7 febbraio scorso, quando la navicella si trovava a oltre 120 chilometri di distanza dalla parte più alta dell’atmosfera di Giove.

L’immagine è il frutto del lavoro del citizen scientist Gerald Eichstädt, il quale ha processato i dati “raw” raccolti dalla JunoCam e ne ha accentuato i colori per mettere in risalto i contorni delle nuvole. Il risultato è talmente bello che la foto sembra quasi un dipinto.

Lo scatto è uno dei tanti che Juno ha ripreso mentre era rivolto verso il polo Sud del pianeta. Protagonista della foto è, appunto, la regione dove il giorno incontra la notte. Per rendere il tutto più dettagliato e visibile, il team di scienziati e ingegneri che guidano la sonda ha regolato la JunoCam in modo che si comportasse come un fotografo ritrattista: la camera a bordo della sonda ha realizzato numerosi scatti a diverse esposizioni sperando di catturare l’immagine con il bilanciamento della luce desiderato. Per consentire a JunoCam di raccogliere una quantità di luce tale da rivelare le caratteristiche della zona crepuscolare di Giove, il lato diurno è stato sovraesposto.

La sonda è in orbita attorno a Giove dal 2016, ha un profilo di missione per orbite polari e si propone di dare risposte ad alcune questioni fondamentali ancora irrisolte sul pianeta stesso, la sua formazione e la sua evoluzione. L’Italia partecipa alla missione con due strumenti: Jiram (Jupiter InfraRed Auroral Mapper) per le studio delle aurore e dell’atmosfera e un transponder in banda Ka per studi gravitazionali. Jiram è coordinato dall’Istituto di astrofisica e planetologia spaziali dell’Inaf.