40 domande e 40 risposte su Plutone e New Horizons

New Horizons incontrerà Plutone il 14 Luglio 2015.

Fra un mese esatto, la sonda americana New Horizons sfiorerà Plutone e le sue cinque lune, in quello che sarà senza dubbio l'evento dell'anno nel settore dell'esplorazione spaziale. Come saprete se ci seguite già da un po' di tempo, qui sul nostro sito abbiamo dedicato (e continueremo a farlo!) grandissimo spazio alla missione, con ben due interviste esclusive agli scienziati della missione, un grafico ufficiale del flyby (ripreso anche da giornalisti americani), aggiornamenti in tempo reale e molto altro. In queste settimane, abbiamo raccolto le vostre domande su Plutone e su New Horizons, aggiungendone un po' di nostra ideazione, e a tutte abbiamo dato una risposta.

Plutone
Scoperta e orbita: domande 1-7
Struttura: domande 8-9
Atmosfera: domande 10-15
Lune: domande 16-22
New Horizons: domande 23-40

Le lastre che portarono alla scoperta di New Horizons.

1. Come fu scoperto Plutone?

La presenza di un Pianeta X oltre l'orbita di Nettuno fu sostenuta in particolar modo dall'astronomo Percival Lowell, che aprì un osservatorio per scoprire il pianeta. Lowell basava la sua certezza dell'esistenza di un nono pianeta su presunte perturbazioni nell'orbita di Nettuno, poi rivelatesi false. Il nono pianeta fu finalmente scoperto dal suo osservatorio a Flagstaff, nell'Arizona, qualche anno dopo la sua morte. A scoprire Plutone fu il giovane Clyde Tombaugh, figlio di contadini finiti sul lastrico da una tempesta che aveva distrutto tutti i loro raccolti. Tombaugh aveva passato intere notti a scrutare il cielo, catalogando migliaia di puntini luminosi e aspettando pazientemente che uno di essi si muovesse. Le immagini che portarono alla scoperta di Plutone furono scattate tra il 23 e il 29 Gennaio del 1930. La scoperta fu annunciata a Marzo, ma ci volle qualche anno per capire che Plutone in realtà era un mondo minuscolo, assolutamente non in grado di causare le perturbazioni ipotizzate da Lowell.

2. Com'è l'orbita di Plutone attorno al Sole?

L'orbita di Plutone è diversa da quella della Terra e degli altri pianeti. Innanzitutto, mentre i pianeti del sistema solare orbitano tutti più o meno sullo stesso piano, detto eclittica, l'orbita di Plutone ha un'inclinazione considerevole, di circa 17.14 gradi. Inoltre, la sua eccentricità (un valore compreso tra 0 e 1, che corrispondono rispettivamente a una circonferenza e a una parabola) è molto più elevate di quella degli altri pianeti: 0.25, il che significa che tra afelio e perielio - il punto più lontano e quello più vicino al Sole - c'è una notevole differenza. L'afelio di Plutone dista circa 49.3 unità astronomiche dal Sole, mentre il perielio 29.7, e si trova all'interno dell'orbita di Nettuno. Per più di 30 dei 248 anni che impiega a percorrere un'orbita, Plutone è più vicino al Sole di Nettuno.

3. Plutone e Caronte hanno le fasi come la Luna?

Certo, con l'unica differenza che il loro ciclo dura 6.4 giorni. Come tutti gli oggetti che si trovano oltre l'orbita della Terra, però, a noi ci appaiono sempre completamente illuminati.

4. Plutone ha le stagioni come la Terra?

Sì, ma sono molto più estreme, dato che il suo asse di rotazione è inclinato di 120 gradi, contro i soli 23 dell'asse terrestre. Inoltre, mentre l'orbita della Terra è con buona approssimazione una circonferenza, quella di Plutone è molto eccentrica, cioè lo porta tra le 29.7 e le 49.3 unità astronomiche di distanza dal Sole. Mentre la Terra nel suo punto più lontano dal Sole (l'afelio) riceve solo il 5% di luce in meno rispetto a quanta ne riceve nel suo punto più vicino (il perielio), su Plutone la differenza è del 280%. Inoltre, dato che, come affermò Keplero, i pianeti si muovono molto più velocemente quando sono più vicini al Sole, cioè in prossimità del perielio, l'autunno boreale dura molto, molto di più della primavera boreale.

5. Perché Plutone non si scontra mai con Nettuno, nonostante ne attraversi l'orbita?

Plutone è uno dei cosiddetti plutini, quei corpi della fascia di Kuiper che si trovano in risonanza orbitale 3:2 con Nettuno: ciò significa che il tempo impiegato da Nettuno a percorrere tre orbite attorno al Sole è uguale a quello impiegato dai plutini a compierne due. Questa risonanza impedisce ai plutini di scontrarsi con Nettuno. Esistono molte altre risonanze simili tra gli oggetti della fascia di Kuiper e Nettuno: i twotini, ad esempio, hanno una risonanza 2:1.

6. Quanto vale la gravità su Plutone?

Plutone è 455 volte meno massiccio della Terra. Ma dato che è anche 5.5 volte più piccolo, una persona in piedi sulla sua superficie è molto più vicina al centro di massa del pianeta di quanto non lo sia un'altra persona in piedi sulla Terra. Quindi la gravità su Plutone non è 455 volte minore di quella sulla Terra, ma "solo" 15 volte minore.

7. Fa freddo su Plutone?

Se temperature comprese tra -240 e -215 gradi centigradi rientrano nella vostra definizione di "freddo", allora sì. 

8. Com'è strutturato internamente Plutone?

New Horizons è stata inviata verso Plutone proprio per rispondere a domande come questa! Tuttavia, possiamo già fare un'ipotesi realistica: sappiamo che Plutone è composto per circa il 65% da roccia e il restante da ghiaccio o materiali con densità simili, tra cui acqua allo stato liquido. Plutone probabilmente ha un nucleo roccioso circondato da un mantello di ghiaccio. Il calore sprigionato dalla radioattività della roccia potrebbe aver fuso parte del ghiaccio, formando un oceano sotterraneo di acqua liquida. Questo oceano è di certo interessante dal punto di vista astrobiologico, ma, data l'assenza di fonti di energia importanti, è improbabile che vi siano anche solo forme di vita microbiche.

Lo spettro di Plutone tra 1 e 2.5 microni di lunghezza d'onda.

9. Di cosa è composta la superficie di Plutone?

La superficie di Plutone è probabilmente composta da un mix di roccia e ghiacci di azoto molecolare, metano, monossido di carbonio ed etano poggianti su uno strato di ghiaccio di acqua.

10. Come facciamo a sapere che Plutone ha un'atmosfera?

L'atmosfera di Plutone fu scoperta nel Giugno 1988, quando l'allora nono pianeta del sistema solare transitò per un centinaio di secondi davanti a una stella, bloccandone parte del disco e oscurandola momentaneamente. L'evento, conosciuto come occultazione, fu osservato da una serie di telescopi, compreso quello volante Kuiper Airborne Observatory. Se Plutone fosse stato privo di atmosfera, ci saremmo aspettati di osservare un improvviso e drastico calo nella luminosità della stella occultata, ma invece, dato che Plutone possiede un'atmosfera, il calo è stato più graduale e gentile.

11. Qual è la pressione esercitata dall'atmosfera di Plutone?

In questo periodo dell'orbita, la pressione esercitata dall'atmosfera di Plutone probabilmente si aggira tra i 10 e i 20 microbar, cioè tra i 10 e i 20 milionesimi di quella terrestre.

12. Qual è la composizione chimica dell'atmosfera di Plutone?

Finora sono stati rilevati solamente azoto molecolare, metano e monossido di carbonio (dovuti alla sublimazione dei ghiacci in superficie), ma probabilmente vi è anche qualche traccia di argon, di altri idrocarburi (acetilene e diacetile, ad esempio) e di nitrili (come acido cianidrico e dicianoacetilene). L'atmosfera di Plutone è una delle sole quattro conosciute nel sistema solare per essere dominate da azoto: le altre tre sono quelle che avvolgono Titano, Tritone e la Terra.

Una rappresentazione schematica di un'occultazione di Plutone.

13. Come fa l'atmosfera di Plutone a resistere a temperature così basse?

La risposta è che probabilmente non sopravvive a temperature così basse: anche se non ne siamo ancora certi, è probabile che gran parte dell'atmosfera di Plutone, se non tutta, si condensi sulla superficie mentre il pianeta nano si avvicina al suo afelio, cioè si allontana dal Sole. Plutone ha raggiunto il suo punto più vicino al Sole, il perielio, nel 1989, e si sta ora allontanando dalla nostra stella. Tuttavia, a causa dell'inerzia termica, sta ancora continuando a scaldarsi e la sua atmosfera si sta facendo sempre più densa, anche se fra non molto la situazione inizierà a invertirsi.

14. Potrebbe esserci uno strato di nebbia su Plutone?

Secondo gli scienziati, per spiegare i dati raccolti dalle occultazioni ci sono due scenari: o esiste uno strato di foschia (probabilmente transitorio) che impedisce alla luce del Sole di raggiungere la superficie, o c'è un ripido gradiente termico, ovvero la temperatura dell'atmosfera aumenta da -240 a -170 gradi centigradi in meno di dieci chilometri di altitudine.

Un grafico dei venti di Plutone.

15. Potrebbe esserci vento su Plutone?

Nell'emisfero illuminato dal Sole, il ghiaccio in superficie viene riscaldato e, tramite sublimazione, sale nell'atmosfera, si sposta verso l'emisfero in ombra tramite i cosiddetti venti di sublimazione e qui si condensa al suolo, riscaldando il ghiaccio circostante: quindi sì, forse ci sono lievi brezze che favoriscono il già intenso scambio di materiale tra superficie e atmosfera.

 16. Come fu scoperto Caronte?

Caronte fu scoperto nel Giugno 1978 da James Christy e Robert Harrington. I due scienziati del Naval Observatory notarono che Plutone aveva una forma particolarmente allungata, segnale che o aveva una montagna alta migliaia di chilometri, oppure aveva un satellite. La prima teoria fu presto eliminata e i due poterono annunciare la scoperta di una luna attorno a Plutone. La luna prese il nome di Caronte, che in inglese (Charon) inizia con le stesse quattro lettere con cui inizia Charlene, il nome della moglie di Christy, che fu il primo a notare il satellite.

17. Quante lune ha Plutone?

Oltre a Caronte, per ora conosciamo altre quattro lune: Notte, Idra (scoperte nel Giugno 2005), Cerbero (scoperto nel Giugno 2011), e Stige (scoperto nel Giugno 2012), tutte scoperte grazie al telescopio spaziale Hubble. Per ora sappiamo solo che Notte e Idra sono estremamente allungate e hanno moti di rotazione caotici e imprevedibili, mentre Cerbero è decine di volte più scuro degli altri satelliti, il che suggerisce che abbia avuto un'origine diversa.

18. Potrebbero esserci altre lune attorno a Plutone?

Assolutamente sì, ma non ci dovrebbero più essere orbite stabili all'interno del sistema finora conosciuto, quindi eventuali lune ancora da scoprire si troverebbero oltre l'orbita di Idra. 

19. Plutone e Caronte formano un sistema binario?

Sì. Per definizione, un sistema binario è un sistema composto da due corpi orbitanti attorno a un baricentro comune che non appartiene a nessuno dei due, e questo è esattamente il caso di Plutone e Caronte. Mentre la Terra, ad esempio, è due ordini di grandezza più massiccia della Luna e quindi il baricentro del sistema Terra-Luna si trova al suo interno, il rapporto tra le masse di Plutone e Caronte è solo 8:1, il che significa che il baricentro del sistema, cioè il punto attorno a cui entrambi i corpi orbitano, si trova un paio di migliaia di chilometri al di sopra della superficie di Plutone.

20. Che aspetto avrebbe Caronte visto dalla superficie di Plutone?

Visto da un eventuale abitante di Plutone, Caronte misurerebbe 3.5 gradi, paragonabili allo spessore di 3-4 dita a braccio disteso. Giusto per confronto, la Luna vista dalla Terra misura solo 0.5 gradi. Visto dalla superficie di Caronte, Plutone misurerebbe invece 7 gradi - troppi per poter essere misurati con le nostre cinque dita!

21. È vero che Caronte, come la nostra Luna, rivolge sempre la stessa faccia a Plutone?

Non solo, è vero anche il contrario! Caronte infatti ruota su se stesso in 6.4 giorni, e nello stesso periodo completa anche un'intera orbita attorno a Plutone. Ma 6.4 giorni è anche il periodo impiegato da Plutone a ruotare su se stesso: quindi Caronte rivolge sempre la stessa faccia a Plutone, ma a sua volta Plutone rivolge la stessa faccia a Caronte! Ciò significa che Caronte appare immobile nel cielo di Plutone e Plutone appare immobile nel cielo di Caronte: un abitante su Plutone e uno su Caronte potrebbero quindi non riuscire a vedersi mai.

22. Potrebbe Caronte avere un'atmosfera?

Secondo un recente studio, Caronte potrebbe sviluppare un'atmosfera in seguito a impatti da parte di corpi esterni. Le collisioni nel sistema solare esterno avvengono molto lentamente (massimo 1 km/s), il che permetterebbe ai materiali sollevati dall'impatto di rimanere nelle vicinanze di Caronte e formare un'atmosfera transiente per qualche migliaio di anni. Tuttavia, si pensa che tali impatti avvengano solo ogni milione di anni o più. Caronte dovrebbe comunque avere una sottile concentrazione di gas attorno a sé: si tratta dei gas in fuga da Plutone che vengono momentaneamente catturati dal debole campo gravitazionale di Caronte.

A sinistra, in nero, l'RTG di New Horizons prima del lancio della sonda

23. Da cosa è alimentata New Horizons?

Alla sua attuale distanza, New Horizons riceve un millesimo della luce che investe la Terra: sarebbe quindi impossibile sfruttare l'energia del Sole per alimentare un'intera sonda. Per questo gli scienziati hanno selezionato un generatore termoelettrico a radioisotopi, o RTG, un dispositivo che converte il calore generato dal decadimento naturale di carburante radioattivo - nel caso di New Horizons, pensate un po', diossido di plutonio. Negli ultimi 40 anni, gli RTG sono stati impiegati su 25 missioni, tra cui le sei Apollo verso la Luna, le due Pioneer verso Giove e Saturno, le due Viking verso Marte, le due Voyager verso il sistema solare esterno, Galileo verso Giove, Cassini verso Saturno, e Ulysses verso il Sole.

24. Potrebbero eventuali lune ancora da scoprire rappresentare un pericolo per New Horizons?

Le lune in sé no, dato che New Horizons attraverserà una zona priva di orbite stabili. Il pericolo è che le lune diano origine ad anelli o detriti. All'incredibile velocità a cui viaggia New Horizons - quasi 15 km/s - anche un granello microscopico potrebbe mandarla KO. Per fortuna, gli scienziati hanno già studiato delle traiettorie secondarie da seguire nel caso venisse scoperto qualche pericolo all'ultimo minuto. New Horizons potrebbe addirittura cambiare assetto per usare la sua antenna radio come scudo per proteggersi dalle particelle, se risulterà necessario.

La traiettoria di New Horizons attraverso il sistema di Plutone. Foto Copyright Polluce Notizie / Pietro Capuozzo

25. A che distanza passerà New Horizons da Plutone e Caronte?

Il culmine dell'incontro si avrà alle 13:49:57 ora italiana del 14 Luglio, quando New Horizons sfreccerà a 49600 chilometri orari da Plutone. La sonda passerà a 12500 km dalla sua superficie e a 13695 km dal suo centro. Poco più tardi, alle 14:03:50 ora italiana, New Horizons raggiungerà la sua minima distanza da Caronte, circa 29451 km dal suo centro.

26. Quale sarà la risoluzione massima raggiunta da New Horizons?

New Horizons mapperà un intero emisfero ad alta risoluzione, fino a 250-400 metri per pixel. Purtroppo, Plutone ruota su se stesso molto lentamente (in 6.4 giorni), quindi l'altro emisfero sarà mappato solo a una risoluzione di 38 km/pixel. New Horizons tenterà di scattare qualche foto anche della parte in ombra di Plutone, illuminata dalla poca luce riflessa da Caronte.

27. Riuscirà New Horizons a fotografare anche le lune di Plutone?

Sì, ma non aspettatevi nulla di spettacolare. Le risoluzioni di Notte e Idra saranno rispettivamente di 3 e 1.1 km/pixel, cioè le due lune misureranno 35 e 74 pixel in dimensioni. Cerbero e Stige misureranno invece una decina di pixel al massimo.

28. Quando saranno pubblicate le prime foto dell'incontro?

New Horizons sarà talmente impegnata a raccogliere dati scientifici che durante l'incontro stesso trasmetterà meno dell'1% dei dati ottenuti. Il 14 Luglio, in un certo senso, sarà un giorno noioso per noi qui sulla Terra. Ma già dai giorni successivi dovrebbero iniziare ad arrivare le prime immagini. Tutte le foto ad alta priorità saranno trasmesse entro il giorno 20.

29. Riusciremo a vedere tutta la superficie di Plutone nelle immagini di New Horizons?

Purtroppo no. Dato che l'asse di rotazione di Plutone è inclinato di 120 gradi, in questa parte dell'orbita un polo risulta perennemente immerso nell'oscurità, anche se, come abbiamo detto, New Horizons tenterà di fotografare anche le regioni in ombra sfruttando la luce riflessa da Caronte.

Gli strumenti a bordo di New Horizons

30. Come farà New Horizons a studiare le atmosfere di Plutone e Caronte?

New Horizons studierà l'atmosfera di Plutone mediante due occultazioni: il transito di Plutone davanti al Sole e poi davanti alla Terra. Entrambi i transiti avverranno circa un'ora dopo l'incontro ravvicinato (14:51:25 l'occultazione Plutone-Sole, alle 14:52:27 quella Plutone-Terra) e si accavalleranno quasi del tutto, data la grande vicinanza angolare (solo 0.24 gradi) tra Terra e Sole visti da distanze come quella a cui si trova Plutone. New Horizons studierà la prima occultazione, quella solare, con il suo strumento Alice (che opera nella banda di lunghezze d'onda tra 57 e 187 nanometri), e quella radio con l'antenna REX (a 4.2 cm di lunghezza d'onda). Un'ora e mezza dopo, la sonda ripeterà la stessa operazione con Caronte (alle 16:17:41 l'occultazione Caronte-Sole, alle 16:20:01 quella Caronte-Terra), che forse possiede una debole atmosfera transiente prodotta dagli scarti espulsi da quella di Plutone, e poi ancora osserverà un'ulteriore occultazione di Plutone con una stella di sottofondo. Lo strumento Alice tenterà inoltre di raccogliere i fotoni espulsi a 134 nanometri di lunghezza d'onda quando una molecola di azoto molecolare viene spezzata in due ed eccitata da un elettrone a sua volta prodotto dalla ionizzazione di un'altra molecola di azoto colpita da un fotone solare.

31. Qual è la velocità di trasmissione dei dati?

Molto, molto lenta: circa 1-4 kbps. New Horizons finirà di trasmettere indietro tutti i dati solo a fine 2016!

32. Quanto impiega un segnale a viaggiare da Plutone alla Terra?

 Circa 4.5 ore.

33. Quanto carburante rimane a New Horizons?

New Horizons ha ancora abbastanza carburante per effettuare cambiamenti di velocità (Delta-V) di circa 130 m/s, o 470 chilometri orari.

34. Con che potenza arrivano i segnali dalla Terra a Plutone?

Meno di -120 dBm. New Horizons è in grado di rilevare segnali fino a -160 dBm.

35. Perché New Horizons non si inserirà in orbita attorno a Plutone?

New Horizons sta viaggiando a circa 15 km/s rispetto a Plutone. Per inserirsi in orbita, dovrebbe rallentare almeno del 90%, il che naturalmente le è impossibile. Se avesse voluto inserirsi in orbita, avrebbe dovuto raggiungere Plutone seguendo una traiettoria più lenta, ad esempio un trasferimento alla Hohmann, ma la fase di crociera sarebbe durata 45 anni contro i 9.5 impiegati finora.

36. Quante fotocamere ha New Horizons?

New Horizons ha due occhi robotici: LORRI e Ralph. LORRI è un telescopio pancromatico con 20.8 cm di apertura utilizzato principalmente durante la fase di avvicinamento. Ralph è dotato di due strumenti, MVIC e LEISA. MVIC comprende tre fotocamere pancromatiche e quattro a colori.

37. Come fa New Horizons a rimanere stabile?

L'assetto di New Horizons è controllato da un giroscopio. La sonda è dotata anche di una serie di fotocamere che monitorano la posizione delle stelle e la inviano al computer di bordo. Se quest'ultimo trova che la posizione delle stelle non coincide entro un certo margine con la posizione prevista, fa accendere dei propulsori di idrazina per ri-orientare la sonda.

38. Quant'è grande New Horizons?

La sonda misura circa 2.5 metri in diametro e a serbatoi pieni pesava circa 480 chilogrammi. 

39. Cosa farà New Horizons dopo aver visitato Plutone?

Come abbiamo già detto, New Horizons sarà impegnata a trasmettere tutti i dati raccolti durante l'incontro con Plutone fino a fine 2016. Dopo ciò, se la missione verrà estesa, New Horizons potrebbe visitare un secondo oggetto della fascia di Kuiper. Il candidato principale per ora è PT1 1110113Y, un corpo largo 30-45 chilometri e 43.4 volte più lontano dal Sole rispetto alla Terra. New Horizons potrebbe esplorarlo nel Gennaio 2019.

40. Riuscirà New Horizons a uscire dall'eliosfera e superare Voyager 1?

New Horizons si trova già su una traiettoria di fuga dal sistema solare, quindi sì, prima o poi - probabilmente negli anni '30 di questo secolo - uscirà dall'eliosfera. Nonostante sia la sonda più veloce mai lanciata, New Horizons è più lenta di Voyager 1: quest'ultima infatti è stata accelerata dalle fionde gravitazionali di Giove e Saturno, mentre New Horizons ha visitato solo Giove. New Horizons quindi non riuscirà mai a superare Voyager 1.