LUNE GHIACCIATE DI GIOVE

» A sinistra: rappresentazione artistica della crosta ghiacciata della luna Europa e del sottostante oceano.

Il prossimo mese di aprile salirà sulla rampa di lancio Juice, una missione importante che ci aiuterà a comprendere meglio le caratteristiche del sistema di Giove e, in particolare, di alcune delle sue lune principali (vedi l’articolo a pag. 20). In queste pagine descriviamo i suoi obiettivi scienti ci insieme a Federico Tosi, uno degli scienziati italiani maggiormente impegnati in questo progetto.

DOTTOR TOSI, CI PUÒ DIRE CHE COS’È JUICE?

TECNOLOGIA

Juice sta per JUpiter ICy moons Explorer, “esploratore delle lune ghiacciate di Giove”. È una missione concepita per studiare da vicino tre delle quattro lune galileiane: Ganimede, Europa e Callisto, per fare luce su due grandi temi: il primo è l’esistenza di mondi abitabili attorno ai giganti gassosi; il secondo è lo studio del sistema di Giove come esemplare dei giganti gassosi extrasolari.

ITALIANA A BORDO

Si tratta della prima missione a guida europea al sistema di Giove e, soprattutto, è la prima sonda che entrerà in orbita attorno a una luna ghiacciata del Sistema solare esterno, Ganimede. Juice e ettuerà un esteso tour di Giove, con diversi incontri ravvicinati dei satelliti galileiani ghiacciati.

COM’È NATA JUICE E COM’È STATA SELEZIONATA?

Tra il 2006 e il 2007, per rispondere al bando dell’Agenzia spaziale europea (Esa) denominato Cosmic Vision, il ricercatore e professore universitario francese Michel Blanc guidò un consorzio internazionale per una proposta di classe large. Il progetto, inizialmente battezzato Laplace, avrebbe dovuto rispondere ai grandi interrogativi lasciati aperti da precedenti esplorazioni spaziali a guida Nasa come Galileo e Cassini (vedi l’articolo a pag. 28), tra cui l’esistenza di mondi “abitabili” attorno ai giganti gassosi del Sistema solare. Per farlo, Laplace si fondava su elementi distinti, destinati rispettivamente allo studio dei satelliti e della magnetosfera di Giove, in modo analogo a quanto già fatto per un’altra missione europea, la BepiColombo rivolta a Mercurio. Laplace fu selezionata per una fase di studio congiunto Esa-Nasa che iniziò a febbraio 2008. Il progetto prevedeva due sonde spaziali, una a guida europea e una a guida americana, destinate rispettivamente allo studio approfondito di Ganimede ed Europa, con il nome complessivo di Europa Jupiter System Mission - Laplace (EjsmLaplace)

Nel 2011, la porzione americana del progetto fu giudicata troppo costosa dalla Nasa e venne abbandonata. La porzione europea a rontò così l’ultimo anno da sola, concentrandosi sugli obiettivi che solo l’elemento a guida Esa avrebbe dovuto conseguire, e modi cò anche il nome, che divenne Juice. La selezione nale ebbe luogo nella primavera del 2012. Sul tavolo del comitato giudicante giunsero tre progetti: Juice, Athena+ ed eLisa. Il 2 maggio 2012, tra queste fu selezionata Juice, che diventò così la prima missione ammiraglia della serie Cosmic Vision.

La Nasa ha poi selezionato una propria missione, chiamata Europa Clipper, meno ambiziosa del precedente contributo al progetto Laplace, per tornare al sistema di Giove e ettuando una lunga serie di incontri ravvicinati a Europa. Il lancio di questa sonda è attualmente ssato a ottobre 2024.

PER QUALI MOTIVI L’OBIETTIVO PRINCIPALE DI JUICE È GANIMEDE?

In verità, tutte le quattro lune scoperte da Galileo nel gennaio del 1610 sono molto interessanti, a cominciare dal fatto che rappresentano un Sistema solare “in miniatura”. Io ed Europa sono geologicamente attive; mentre Ganimede e Callisto sono più de late rispetto al pianeta e risentono meno delle forze mareali; di conseguenza, sono meno attive dal punto di vista geologico, ma non per questo meno interessanti. Dal punto di vista astrobiologico, Europa è quella che merita maggiore attenzione. Ganimede è comunque il satellite naturale più grande del Sistema solare, con dimensioni che superano quelle del pianeta Mercurio. È un corpo planetario con un interno pienamente di erenziato in un nucleo, un mantello e una crosta complessa, che ospita anche uno strato di acqua liquida compreso fra due strati ghiacciati. Inoltre, è l’unico satellite naturale, fra quelli nora esplorati, a possedere un campo magnetico intrinseco, cioè un dipolo magnetico che si origina nel suo nucleo fuso e rotante in modo analogo al campo magnetico terrestre, e che opera quindi un’azione schermante nei confronti delle particelle cariche che permeano la magnetosfera di Giove.

IN QUALI MODI LE LUNE INTERAGISCONO CON GIOVE?

Giove esercita sulle lune galileiane, in particolare sulle più interne (Io, Europa e Ganimede), due tipi di interazione: gravitazionale ed elettromagnetica. Nel primo caso, alla forza di marea esercitata dal pianeta

Giove si sovrappone una “risonanza di Laplace”, generata da una relazione semplice che lega tra loro i periodi orbitali: quello di Europa è doppio rispetto a quello di Io, mentre quello di Ganimede, a sua volta, è doppio rispetto al periodo di Europa. Dal punto di vista dinamico, la risonanza di Laplace impedisce alle maree di rendere perfettamente circolari le orbite. Di conseguenza, la marea gioviana provoca una deformazione periodica dell’intero satellite Io, che ne riscalda e ne fonde l’interno, causando intensi processi vulcanici in super cie. Europa (il secondo in ordine di distanza dal pianeta) non ha processi vulcanici, ma il suo interno è riscaldato al punto da mantenere un importante strato di acqua liquida sotto la super cie visibile. Un vero e proprio oceano che potrebbe contenere il doppio dell’acqua di tutti gli oceani della Terra messi insieme! La crosta di Europa è deformata periodicamente a ogni orbita e si mantiene perciò relativamente sottile ed elastica; nel tempo, questo ha provocato spaccature e crepacci di usi, da cui talvolta può fuoriuscire l’acqua dal sottosuolo.

Federico Tosi è un ricercatore dell’Inaf (Istituto nazionale di astrofisica) presso la sede di Tor Vergata, Roma, e docente del corso di Fisica dei Pianeti del Sistema solare ed Esopianeti presso l’Università Roma Tre. Si occupa prevalentemente di analisi dati acquisiti da strumenti di telerilevamento installati a bordo di sonde spaziali interplanetarie a guida sia Nasa che Esa, come Cassini-Huygens, Rosetta, Dawn, Juno, BepiColombo e Juice. Ha al suo attivo 190 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali sottoposte a peer-review

La sonda Galileo non aveva fotocamere con la sensibilità necessaria per osservare direttamente questi pennacchi d’acqua; ma il suo magnetometro aveva rilevato un’anomalia durante l’ultimo passaggio ravvicinato nel gennaio 2000, in prossimità della regione polare meridionale. Nell’ultima decade, il telescopio spaziale Hubble ha confermato che Europa talvolta presenta emissioni di vapore acqueo alle latitudini meridionali, rivelate da un’anomala abbondanza di idrogeno oltre il bordo del satellite. Tuttavia, al momento non sembra esistere una periodicità in questi episodi. L’altro accoppiamento, quello elettromagnetico, è provocato dal potente campo magnetico di Giove, che interagisce con le lune, sottraendo da queste ultime, soprattutto da Io, abbondanti quantità di ioni. Questi ioni vengono accelerati dallo stesso campo magnetico e niscono col precipitare nelle regioni polari di Giove, dove si possono osservare le “impronte” lasciate dal materiale ionizzato dei satelliti galileiani, a lunghezze d’onda ultraviolette e infrarosse.

Possibile La Presenza

DI FORME DI VITA NEGLI OCEANI DI QUESTE LUNE?

Con il suo grande oceano sotto la super cie, a diretto contatto con un mantello di silicati, Europa è fortemente indiziata di essere un mondo “abitabile”, cioè adatto a ospitare forme di vita elementari. Per Ganimede si parla di “potenziale

(razzo Ariane 5 ECA, da Kourou)

– Venere – Terra – Terra) abitabilità”, perché il suo oceano subglaciale avrebbe maggiore di coltà a interagire con il mantello di silicati, condizione necessaria per creare lo scambio chimico che è alla base dell’abitabilità. Tuttavia, i dati delle missioni Galileo e quelli più recenti di Juno non escludono questa possibilità. Parlare di forme di vita è però molto prematuro: non basta osservare pennacchi d’acqua che fuoriescono dai crepacci di Europa, né basterebbe rilevarvi la presenza di composti volatili, molecole organiche e amminoacidi. L’esperienza acquisita dalla missione Cassini su Encelado - satellite di Saturno munito di un oceano subglaciale - ha insegnato che servirà una sonda che scenda in modo controllato sulla super cie di Europa per cercare in modo diretto tracce biologiche presenti sotto i primi centimetri di regolite. La missione Europa Lander, se approvata dalla Nasa, potrebbe operare realisticamente in questa direzione verso il 2040.

Qual La

PARTECIPAZIONE

Italiana

ALLA MISSIONE DI JUICE?

Juice è stato realizzato dall’azienda Airbus Defence and Space a Tolosa (Francia) e ha un carico scienti co di dieci strumenti, selezionato a febbraio 2013, in modo pienamente coerente con gli obiettivi de niti nella fase di studio della missione. A questi strumenti si aggiungono un esperimento condotto dalla Terra con radiotelescopi (senza necessità di ulteriore hardware a bordo), un accelerometro e un monitor di radiazioni. A piena guida italiana vi sono la camera ottica Janus, il radar Rime e l’esperimento di radio scienza 3GM, che si avvale anche di un accelerometro pure fornito dall’Italia.

Lo spettrometro a immagine visibile e infrarosso Majis è stato realizzato in tandem da Italia e Francia. Inoltre, l’Italia ha fornito anche i dieci pannelli fotovoltaici ottimizzati per operare a bassa temperatura e in condizioni di scarsa luminosità, per fornire un totale di circa 820 W di energia elettrica alla sonda. Un’antenna ad alto guadagno di 2,5 m di diametro, operante nelle bande radio X e Ka, garantirà i collegamenti di telemetria/telecomando per le operazioni di routine e l’esperimento di radio scienza nalizzato alle misure di gravità. Durante la fase operativa nel sistema di Giove, ogni giorno potranno essere scaricati almeno 1,4 Gbit di dati scienti ci, ma probabilmente si potrà arrivare a oltre 3 Gbit al giorno. Due “sarcofagi” forniranno ad alcuni componenti elettronici una schermatura contro il duro ambiente gioviano, ricco di radiazioni, nonché adeguate condizioni termiche. Il veicolo spaziale include appendici dispiegabili come un braccio da 10,6 m che supporta i sensori del magnetometro e di uno strumento di misura dei plasmi e campi elettromagnetici, un’antenna radar da 16 m e un’antenna orientabile a medio guadagno per le comunicazioni e per le misure di radio scienza.

QUALI SONO LE FASI IN CUI SI ARTICOLERÀ LA MISSIONE?

Dopo il lancio di Juice, il suo trasferimento verso Giove durerà più di otto anni, sfruttando una serie di passaggi ravvicinati alla Terra e a Venere per accelerare in modo naturale senza consumare carburante. L’arrivo a Giove è previsto a luglio 2031 e da quel momento inizierà un tour del sistema, che prevede passaggi ravvicinati a Ganimede, Callisto ed Europa, e anche una fase orbitale a moderata inclinazione pensata soprattutto per osservare il pianeta a latitudini medio-alte.

In tutto sono previsti 12 yby di Ganimede ( no a una distanza minima di 400 km), due di Europa (a una distanza minima di 400 km) e ben 21 di Callisto ( no a una quota minima di 200 km), prima di entrare in orbita polare a Ganimede nel dicembre del 2034. Nei nove mesi successivi, prima per mezzo di orbite ellittiche, poi seguendo un’orbita circolare alta, percorsa a una quota media di 5100 km, e in ne da un’orbita circolare più bassa, percorsa a un’altezza media di 490 km, Juice e ettuerà una “tomogra a” accurata dell’interno di Ganimede, della sua super cie e della tenue atmosfera che lo circonda, restituendone una visione tridimensionale senza precedenti.

In ne, se le risorse di sistema lo permetteranno, Juice potrebbe scendere ulteriormente a 200 km di quota per almeno un altro mese, prima di essere frenata dalla tenue atmosfera di Ganimede e ridurre progressivamente la sua quota no a schiantarsi al suolo. Inquadra il QR per una animazione del sorvolo di Ganimede da parte di Juice.

DI CHE COSA SI OCCUPA FEDERICO TOSI NELL’AMBITO DELLA MISSIONE JUICE?

Sono coinvolto nella camera ottica Janus, nello spettrometro a immagine visibile e infrarosso Majis e nel radar Rime. Inoltre, coordino uno dei gruppi di lavoro della missione dedicato alla scienza delle super ci e delle tenui atmosfere dei satelliti galileiani.

Nell’ultimo anno abbiamo studiato le condizioni dei yby dei satelliti durante il tour di Giove, in modo da identi care le opportunità più favorevoli per massimizzare la copertura di Ganimede e Callisto. Questi incontri ravvicinati meritano una piani cazione dedicata e un maggiore volume di dati da assegnare agli strumenti di telerilevamento. Inoltre, con i colleghi d’oltreoceano abbiamo iniziato a valutare le opportunità di scienza congiunta tra Juice ed Europa Clipper, che si troveranno a operare contemporaneamente nel sistema di Giove dal 2031 al 2035.

Senza farlo apposta, la con gurazione a due elementi distinti a guida Esa e Nasa che era stata immaginata nel 2008 con Ejsm-Laplace potrà probabilmente avere luogo, anche se con due missioni diverse…