Trovata una nuova orbita speciale per il successore di Kepler

Chad Mendelsohn, Trevor Williams e Don Dichmann, ingegneri del MIT, posano di fronte a una rappresentazione dell'orbita di TESS.

La chiamano l'orbita di Riccioli d'oro – non troppo vicina alla Terra e alla Luna, ma neanche troppo lontana. È semplicemente perfetta, come spiega George Ricker della NASA.

Ricker e il suo team di ingegneri hanno trovato una nuova orbita perfetta per il prossimo cacciatore di esopianeti della NASA, il satellite TESS. La missione di due anni, che inizierà nel 2017, vedrà il telescopio posizionato in modo ottimale per studiare oltre 500 pianeti extrasolari in transito di fronte ad alcune delle stelle più luminose e vicine del cielo.

Quale sarà la grande novità introdotta da TESS? I telescopi terrestri, con le tecnologie e i sistemi attuali, sono in grado di rilevare solo giganti gassosi relativamente vicini alla loro stella madre – i cosiddetti pianeti gioviani caldi. TESS sarà invece in grado di scorgere pianeti molto più piccoli, di dimensioni terrestri, attorno a stelle luminose e vicine e quindi facili da studiare.

TESS farà parte del programma Explorer della NASA, e userà una serie di fotocamere grandangolari per effettuare ricerche a tutto cielo. Il satellite Kepler, il primo cacciatore di pianeti della NASA, aveva invece una visuale limitata alle costellazioni del Cigno e della Lira.

I dati raccolti da TESS saranno le fondamenta attorno alle quali si articoleranno missioni più approfondite (e costose), come il successore di Hubble, il telescopio James Webb, che sarà in grado di studiare la massa, le dimensioni, la densità, l'orbita e l'atmosfera di ogni obiettivo individuato in precedenza da TESS.

«TESS porterà avanti la prima campagna osservativa a tutto cielo dallo spazio, coprendo una porzione di cielo 400 volte maggiore di qualsiasi missione precedente», spiega Ricker, del Kavli Institute For Astrophysics And Space Research al Massachusetts Institute of Technology.

«Identificherà migliaia di nuovi pianeti nel vicinato solare, con un'attenzione particolare ai pianeti simili in dimensioni alla Terra».

«Questa è una grande missione», commenta Tim Sauerwein del centro della NASA di Goddard. «Non attribuisco la vittoria solamente alle analisi orbitali portate avanti dal nostro team, ma credo fortemente che abbiano contribuito. Questa nuova orbita è assolutamente l'ideale per questa missione».

Per portare a termine una faticosa ricerca di due anni in entrambi gli emisferi celesti, TESS avrà bisogno di occupare una particolare posizione nello spazio – una posizione molto stabile in grado di ottimizzare la copertura celeste e fornire all'occhio di TESS una visuale chiara e limpida sull'intero cosmo, il tutto da un ambiente privo di radiazioni e con la temperatura adatta.

Dopo intensi studi, gli ingegneri di Goddard e dell'Aerospace Corporation hanno scelto un'orbita mai usata prima, chiamata P/2 e in risonanza con la Luna.

Si tratta di un'orbita molto ampia e altamente ellittica, con un periodo pari a metà di quello della Luna, ossia di 13,7 giorni. Al perigeo, ossia al punto di massima vicinanza alla Terra, TESS si troverà a 107 mila chilometri dal nostro pianeta, ossia 17 volte il raggio terrestre, ben oltre la tangenziale geosincrona percorsa da moltissimi satelliti per le comunicazioni. In questo punto, al perigeo, l'antenna di TESS verrà orientata verso le stazioni sulla superficie, che raccoglieranno i dati dopo circa tre ore dalla trasmissione del satellite.

L'apogeo dell'orbita di TESS, ossia il punto più lontano, disterà 370 mila chilometri dal nostro pianeta, ossia 58,7 volte il raggio terrestre. Quest'orbita consentirà al satellite di schivare le pericolose e ostili fasce di Van Allen, che si trovano tra i 1000 e i 6000 chilometri dalla superficie terrestre.

«È la prima volta che usiamo quest'orbita», spiega Trevor Williams del Goddard e membro del team di ingegneri che ha studiato l'orbita di TESS. «È un punto stabile, stabile nel senso che non è vittima di perturbazioni nell'altitudine».

Un'orbita risonante-lunare era già stata proposta nei primi anni '90, ma il primo vero passo in avanti fu raggiunto nel 2001, quando fu pubblicata una ricerca di Daniel McGiffin e Michael Matthews della Computer Sciences Corporation e di Steven Cooley del Goddard. L'articolo studiava in dettaglio questo nuovo tipo di orbite, spiegando anche perché fossero perfette per particolari tipi di missioni.

In queste orbite, la sonda non è più vittima del tiro alla fune giocato dall'influenza della Luna e della Terra, specialmente se l'apogeo del satellite è posizionato di circa 90 gradi rispetto alla Luna. Queste orbite forniscono un'incredibile stabilità a lungo termine, senza bisogno di costanti manovre di correzione del percorso per mantenere l'orbita. Sono quindi orbite perfette per satelliti come TESS, dove il limite della massa non lascia spazio a un propulsore e al propellente per alimentarlo.

Nel 2010, due membri del team di TESS, Jose Guzman e Robert Lockwood, si accorsero dell'importanza della ricerca di nove anni prima, e decisero di proporre l'idea a Ricker, il quale arruolò immediatamente gli ingegneri Dave Quinn e Marck Woodard per calcolare le manovre necessarie a mettere il satellite in questo tipo di orbita.

Nel 2011, un nuovo studio di Donald Dichmann discuteva della nuova orbita della sonda IBEX della NASA, che era stata spostata dalla sua orbita iniziale fino a un'orbita in risonanza con la Luna, detta P/3. Dichmann e i suoi colleghi dissero in quell'occasione che sarebbe stato «molto interessante esaminare» altre orbite simili, come la P/2 di TESS.

«Ricker vide quell'articolo e lo convinse», spiega Dichmann.

Nella prima fase di progettazione della missione, tra il 2011 e il 2012, altri membri del Goddard si unirono al progetto di Ricker, studiando per mesi i dettagli della nuova orbita e le manovre che avrebbero portato TESS in quella nuova orbita.

Proprio in quel periodo arrivò la conferma che il satellite avrebbe avuto una visuale senza precedenti sull'Universo, ottime comunicazioni con le stazioni in superficie e un ambiente benigno con poche radiazioni. Gli ingegneri calcolarono anche che l'orbita di TESS, una volta avuto un incontro ravvicinato con la Luna per acquisire momento, rimarrà stabile per parecchi decenni.

«Una delle cose più importanti che abbiamo raggiunto, grazie a Trevor Williams, è stato determinare che, nel suo punto più lontano, l'angolo satellite-Terra-Luna non deve essere retto, ma può variare fino a 30 gradi di differenza e fornire comunque un'orbita stabile», spiega Chad Mendelsohn del Goddard.

Ciò ha esteso incredibilmente la finestra di lancio: per ogni ciclo lunare di 27 giorni, infatti, il satellite potrà decollare in 23 di quei giorni.

«Abbiamo rilassato i limiti imposti dall'orbita», continua Mendelsohn.

Il team di Ricker include, oltre al Goddard, importanti collaborazioni con il Lincoln Laboratory del MIT a Lexington, nel Massachusetts; l'Orbital Sciences Corporation di Dulles, Virginia; il centro Ames della NASA a Moffett Field, in California; l'Harvard-Smithsonian Center For Astrophysics a Cambridge, nel Massachusetts; l'Aerospace Corporation a El Segundo, in California; e il Space Telescope Science Institute a Baltimora, nel Maryland.

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Pat Izzo/NASA