30 domande e risposte su Juno e Giove

Ormai a meno di 36 ore dall'inizio della manovra di inserimento orbitale, la sonda Juno sta continuando ad avvicinarsi a Giove. Alle 4:30 ora italiana del 5 Luglio, Juno accenderà il suo motore; nell'arco di 35 minuti, si lascerà catturare dalla gravità del gigante gassoso, inaugurando una missione destinata a durare 20 mesi. In vista dello storico evento, abbiamo preparato 30 domande e altrettante risposte per far chiarezza sulla missione di Juno.

Le domande sono divise in quattro sezioni.

Sezione 1 (domande 1-12): La scienza di Juno
Sezione 2 (domande 13-19): La manovra di inserimento orbitale
Sezione 3 (domande 20-23): Il viaggio di Juno
Sezione 4 (domande 23-30): Juno

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Sezione 1: La scienza di Juno

1. Quali sono gli obiettivi scientifici della missione?

A grandi linee, l'obiettivo primario di Juno è far luce sulla formazione e sull'evoluzione del pianeta. Juno studierà anche il campo gravitazionale, la magnetosfera, le dinamiche atmosferiche, la composizione globale e l'interazione tra struttura interna, atmosfera e magnetosfera.

2. Qual è la struttura interna di Giove?

Giove è avvolto da un manto di nubi di ammoniaca, acido solfidrico e acqua. La composizione del pianeta è dominata dall’idrogeno e, in parte minore, dall’elio. In profondità, le pressioni e le temperature si fanno così elevate che l’elio condensa a formare gocce che precipitano verso il centro del pianeta, mentre l’idrogeno entra in uno stato esotico noto come idrogeno metallico liquido. Sappiamo con certezza che Giove nasconda, seppur in traccia, delle discrete quantità di elementi pesanti; tuttavia, non è ancora chiaro se questi elementi formano un nucleo distinto di ferro e silicati oppure se sono disciolti nel volume del pianeta.

3. Perché è importante sapere se Giove possiede un nucleo roccioso?

Determinare se Giove nasconde al suo interno un nucleo distinto di materiale roccioso e ghiacci permetterà agli astronomi di imporre importanti limiti ai modelli di formazione del sistema solare. I due modelli principali, ovvero quello dell’accrescimento dei nuclei e quello dell’instabilità del disco, ricostruiscono la formazione di Giove tramite due scenari molto differenti. Il primo prevede che Giove si sia formato in seguito al graduale accrescimento di particelle di polvere e ghiaccio in planetesimi, grazie a delicati processi (quali frizione dinamica e focusing gravitazionale). Il modello prevede che Giove si sia evoluto a partire da un embrione planetario di 10-15 masse terrestri che avrebbe attirato grandi quantità di gas su di sé. Il secondo modello, invece, prevede che Giove si sia formato dal collasso gravitazionale di un grumo di materiale nel giovane disco protoplanetario, senza quindi che il pianeta si sviluppasse attorno a un nucleo distinto. Essendo Giove il più massiccio dei pianeti e il primo a formarsi, la sua presenza è stata determinante nel plasmare l’architettura dell’intero sistema solare. 

4. Come riuscirà Juno a determinare la struttura interna di Giove?

In prossimità del periapside della propria orbita, Juno volerà a distanze molto ravvicinate da Giove. La sua orbita verrà perturbata da eventuali asimmetrie nella distribuzione della massa all’interno del pianeta; queste perturbazioni prenderanno la forma di accelerazioni e decelerazioni lievissime ma improvvise nel moto orbitale di Juno – in altre parole, la sonda verrà strattonata di qua e di là lungo la sua orbita. Queste variazioni nel moto orbitale si manifesteranno in forma di cambiamenti nella frequenza dei segnali di Juno, secondo un fenomeno noto come effetto Doppler. Monitorando queste variazioni, gli astronomi potranno ricostruire la struttura interna del pianeta.

5. Perché è importante conoscere la quantità di acqua e ammoniaca all'interno di Giove?

Le molecole di acqua e ammoniaca contengono due degli elementi più abbondanti nell’Universo: l’ossigeno e l’azoto, rispettivamente. Conoscere il contenuto di ossigeno e azoto all’interno di Giove sarà fondamentale per ricostruire la composizione del materiale da cui il pianeta si formò. Riscontrare un eccesso di acqua e una carenza di azoto, ad esempio, confermerebbe che Giove iniziò a formarsi più o meno alla sua attuale distanza dal Sole.

6. Come farà Juno a mappare la distribuzione globale di acqua e ammoniaca?

Il radiometro MWR è sensibile a sei diverse lunghezze d’onda, tutte nelle microonde, che gli permetteranno di individuare la presenza di acqua fino a 550 km di profondità. Il rilevatore di infrarossi dello strumento italiano JIRAM contribuirà alla mappatura globale dell’acqua e riuscirà a rilevare anche le impronte chimiche di metano, ammoniaca e fosfina.

7. A cosa sono dovute le aurore di Giove?

Le particelle cariche presenti nel vento solare e quelle rilasciate dalle lune gioviane vengono intrappolate nel campo magnetico del pianeta. Seguendo le linee del campo magnetico, le particelle precipitano verso i poli del pianeta, dove, scontrandosi contro le molecole che popolano l’atmosfera, provocano l’emissione di grandi quantità di fotoni, che costituiscono le aurore.

8. Perché studiare le aurore di Giove?

Le aurore rappresentano la drammatica interazione tra l’atmosfera di un pianeta e l’ambiente magnetico che lo circonda. Studiare le aurore consente di ricavare preziosi indizi sui meccanismi che regolano la magnetosfera di un pianeta. Ad esempio, le analisi spettrali delle aurore contengono informazioni sull’energia e sulla composizione delle particelle coinvolte.

9. Riuscirà Juno a studiare le lune di Giove?

Nonostante le lune di Giove non rientrino ufficialmente negli obiettivi scientifici di Juno, la missione sarà comunque in grado di raccogliere una serie di informazioni sui quattro satelliti medicei. Ad esempio, studiando la magnetosfera gioviana, Juno potrà ricostruire le dinamiche che regolano il toroide di particelle cariche rilasciate dai vulcani di Io. Non mancheranno le fotografie: il 26-27 Agosto, ad esempio, Junocam tenterà di immortalare Ganimede da 500 mila chilometri di distanza.

10. Quando inizieranno le scoperte scientifiche?

In seguito al completamento della manovra di inserimento orbitale, Juno si troverà su un’orbita polare altamente ellittica, con un periodo di 53.5 giorni. Gli strumenti scientifici di Juno verranno riaccesi una cinquantina di ore dopo la manovra, in vista dell’inizio delle osservazioni. Gli strumenti potranno eseguire le loro prime misurazioni in prossimità di Giove durante il secondo periapside della missione, previsto per il 27 Agosto. La fase scientifica vera e propria, tuttavia, inizierà solo in seguito alla manovra di riduzione del periodo orbitale, prevista per il 19 Ottobre.

11. Perché le radiazioni di Giove sono così intense?

Il campo magnetico di Giove è generato dalle correnti elettriche presenti all’interno dello strato di idrogeno metallico liquido che si cela all’interno del pianeta. Grazie al rapido moto rotatorio del gigante gassoso sul proprio asse, il campo magnetico gioviano è quasi 20 mila volte più intenso di quello terrestre. La magnetosfera gioviana, popolata da particelle cariche quali elettroni e ioni, si estende fino a 1-3 milioni di chilometri dal pianeta verso il Sole, mentre nella direzione opposta forma una lunghissima coda magnetica che doppia l’orbita di Saturno. La magnetosfera è alimentata sia dal vento solare, il flusso di particelle cariche emesse dal Sole, che dalle particelle espulse dalle lune – soprattutto quelle rilasciate dall’attività vulcanica della luna Io. Nell’arco della sua missione, Juno riceverà una dose di radiazioni pari a circa 20 milioni di rad, equivalente a oltre 100 milioni di radiografie dentali. L’intensità del campo magnetico a cui Juno sarà esposta è un intero ordine di grandezza superiore a qualunque campo magnetico incontrato da una sonda in passato.

 12. Come farà Juno a proteggersi dalle radiazioni di Giove?

 I componenti elettronici più delicati sono custoditi all’interno di una camera di 200 kg con pareti di titanio spesse un centimetro. I sistemi situati all’esterno di questa camera sono stati progettati in modo da resistere il più possibile alle intense radiazioni – gli inseguitori stellari (i dispositivi deputati alla determinazione dell’assetto della sonda basandosi sulla posizione delle stelle nel cielo), ad esempio, sono 4 volte più pesanti di qualunque dispositivo simile mai volato prima, a causa della presenza di vari strati protettivi. Tuttavia, la protezione primaria sarà offerta dall’architettura orbitale della missione: la traiettoria di Juno è stata studiata in modo da schivare le regioni più interne delle fasce di radiazioni. A ogni orbita, Juno si tufferà in picchiata verso le regioni polari e si calerà nel sottile lembo di spazio tra le nubi del pianeta e il confine interno delle fasce di radiazioni. Tuttavia, a causa della forma oblunga del pianeta, l’orbita di Juno scivolerà lentamente verso il cuore delle fasce di radiazioni, ponendo fine alla missione dopo una trentina di orbite.

Sezione 2: La manovra di inserimento orbitale

13. Quanto durerà la manovra di inserimento orbitale?

La manovra inizierà alle 4:30 ora italiana del 5 Luglio. In quel momento, Juno si troverà a 48 minuti luce dalla Terra; il segnale di conferma dell’inizio della manovra, dunque, ci arriverà solo alle 5:18. Il motore di Juno si spegnerà dopo 35 minuti circa, avendo bruciato 216 kg di tetrossido di azoto e 569 di idrazina e avendo rallentato la sonda di 1950 chilometri orari.

14. Cosa succederebbe se Juno fallisse la manovra?

Per farsi catturare dal campo gravitazionale gioviano, il motore di Juno dovrà operare per almeno 20 dei 35 minuti previsti. Qualora la manovra dovesse durare meno di 20 minuti o non iniziasse nemmeno, Juno sfreccerà accanto a Giove e continuerà ad allontanarsi dal pianeta, fino a ritornare su un’orbita eliocentrica.

15. Quando sapremo l'esito della manovra?

Durante la manovra, l’antenna ad alto guadagno non sarà puntata in direzione della Terra; tutte le comunicazioni, dunque, saranno affidate ai deboli segnali dell’antenna a basso guadagno. Le antenne di Goldstone, in California, e di Canberra, in Australia, tenteranno di raccogliere i segnali della sonda, noti come “toni”. Questi battiti, ripetuti ogni dieci secondi, non conterranno alcuna informazione diagnostica, ma confermeranno la salute generale di Juno. Al termine della manovra, la sonda invierà un battito il cui tono dipenderà dall’esito della manovra. Solo alle 05:23 ora italiana l’antenna ad alto guadagno tornerà operativa, e gli ingegneri potranno iniziare a scaricare pacchetti di telemetria.

16. Chi controllerà Juno durante la manovra?

Al momento della manovra, Juno si troverà a 48 minuti luce dalla Terra. In altre parole, i segnali inviati dalla Terra raggiungeranno Juno con 48 minuti di ritardo, e viceversa. Un controllo in tempo reale della sonda sarà quindi impossibile. Alle 21:15 ora italiana del 30 Giugno, gli ingegneri hanno inviato a Juno l’ultima sequenza di comandi, che comprende le operazioni da eseguire durante la manovra; da allora, Juno sta viaggiando in modalità di autopilota, seguendo comando dopo comando le istruzioni caricate nell’ultimo mese dagli ingegneri. Da Terra potremo solo monitorare lo stato di salute dei sistemi di bordo, ma non potremo intervenire direttamente sulle operazioni della sonda.

17. Quando disterà Juno da Giove al momento della manovra?

Per risparmiare carburante, Juno accenderà il suo motore in prossimità del periapside, ovvero il punto di massima vicinanza a Giove, quando si troverà a circa 4667 chilometri dalle nubi del gigante gassoso.

18. Quanto rallenterà Juno durante la manovra?

La manovra durerà 35 minuti e risulterà in un cambiamento di velocità di 542 metri al secondo, ovvero 1951 chilometri orari.

19. Quale sarà la velocità di Juno all'inizio della manovra?

Juno sarà la sonda più veloce della storia a inserirsi in orbita attorno a un pianeta. Prima della manovra, la sua velocità rispetto alla Terra sarà di 208 mila chilometri orari.

Sezione 3: Il viaggio di Juno

20. Come ha fatto Juno a raggiungere Giove?

Juno è decollata in cima a un Atlas V551 da Cape Canaveral, in Florida, il 5 Agosto 2011. Dopo aver completato un’intera rivoluzione intorno al Sole, interrotta solamente da due manovre propulsive (il 30 Agosto e il 14 Settembre 2012), la sonda è tornata far visita alla Terra il 9 Ottobre 2013, quando è sfrecciata a soli 500 km dalla superficie del nostro pianeta. In seguito all’incontro, la Terra ha impartito a Juno una spinta di 26280 chilometri orari, indirizzandola verso Giove.

21. Quale sarà l'orbita di Juno intorno a Giove?

Dopo aver percorso due orbite di cattura da 53.5 giorni l’una, il 19 Ottobre 2016 Juno riaccenderà il motore per 22 minuti per abbassare l’apoapside della propria orbita e ridurne il periodo a 14 giorni circa. A ogni rivoluzione, Juno si tufferà verso il polo nord del pianeta, passando tra 4200 e 7900 chilometri dalle nuvole. Appena due ore più tardi, Juno riemergerà al di sopra del polo opposto, iniziando una lunga e silenziosa scalata verso l’apoapside.

22. Quanto durerà la missione di Juno?

Dopo 36 orbite scientifiche, Juno verrà fatta deorbitare, ovvero si tufferà nell’atmosfera gioviana, dove verrà fatta a brandelli dalle temperature e dalle pressioni estreme. La fine della missione è prevista per il 20 Febbraio 2018.

23. Perché Juno verrà fatta bruciare nell'atmosfera gioviana?

Data la forma oblunga di Giove, l’orbita di Juno scivolerà gradualmente in direzione delle fasce di radiazioni, costringendo la sonda a operare in condizioni sempre più proibitive. Per evitare di perdere il controllo della sonda e lasciarla in balia del campo gravitazionale di Giove – e dunque correre il rischio che la sonda si schianti contro una luna, magari andando ad inquinare un ambiente potenzialmente abitabile – gli scienziati comanderanno alla sonda di calarsi fino a entrare nell’atmosfera gioviana.

Sezione 4: Juno

24. Com'è strutturata Juno?

Lo scheletro robotico di Juno misura 3.5 metri in altezza e 3.5 metri in diametro e presenta una forma esagonale.

25. Da cosa è alimentata Juno?

Juno è la prima sonda alimentata interamente a energia solare ad avventurarsi a distanze così grandi dal Sole. Ciò è possibile sia grazie ai bassi requisiti energetici degli strumenti, sia grazie ai continui miglioramenti nella fabbricazione di pannelli solari ad uso spaziale. Con i suoi tre pannelli solari aperti, Juno misura 20 metri in lunghezza. Ciascun pannello solare è lungo circa 9 metri, per un totale di 18698 celle solari. I pannelli solari di Juno generano 14 kW di elettricità sulla Terra, ma solo 500 W in orbita intorno a Giove, a causa della maggiore distanza dal Sole.

26. Qual è il motore di Juno?

Il sistema di propulsione di Juno è affidato a un Leros-1b, un motore a bipropellente (idrazina e tetrossido di azoto) da 645 N di spinta. Quando è spento, l’ugello del motore è avvolto da una copertura che lo protegge dagli impatti di micrometeoriti e particelle. Il sistema di controllo dell’assetto comprende invece 12 propulsori secondari posizionati a blocchi di quattro. I propulsori secondari sono usati sia per controllare l’assetto della sonda in tre dimensioni, sia per alcune delle manovre di correzione della traiettoria. La stabilizzazione della sonda è garantita dal suo moto rotatorio. Durante la fase scientifica, Juno compie 2 rotazioni lungo il proprio asse al minuto; durante le manovre propulsive, ovvero quando è necessaria una maggiore stabilità, la velocità aumenta a 5 rotazioni al minuto.

27. Perché il nome "Juno"?

Nella mitologia greca e romana, Giunone, o Juno in inglese, dissipò le nubi che Giove aveva usato per celare i suoi misfatti. Così facendo, Giunone riuscì a rivelare la vera natura di Giove. Anche la sonda Juno userà i suoi strumenti per penetrare al di sotto delle nubi del pianeta Giove, cercando di rivelare la sua vera natura.

28. C'è qualche "passeggero speciale" a bordo di Juno?

Juno trasporta tre statuine LEGO di Giunone (con una lente d’ingrandimento in mano, simbolo della sua ricerca della verità), Giove (con due fulmini in mano) e Galileo Galilei (con un modellino di Giove in una mano e un telescopio nell’altra). La sonda presenta anche una placca di alluminio di 71x51 millimetri con un ritratto di Galileo e alcune frasi prese dai resoconti delle sue osservazioni.

29. Quanto pesa Juno?

Al momento del lancio, Juno pesava 3625 chili, di cui 2032 di carburante. Ad oggi (3 Luglio 2016), Juno ha consumato 800 kg di carburante. Al termine della manovra di inserimento orbitale, la sonda peserà 2040 chili.

30. Quanto è costata la missione?

Il costo totale di 78 mesi di costruzione ed operazione è di circa 1.13 miliardi di dollari, compresi i costi di lancio. In origine, la missione non avrebbe dovuto superare i 700 milioni di dollari.