ESA - Missione Solar Orbiter

• 25/09/2023
• 2367 (Ultima: 25/09/2023 19:54:54)
•  Redazione
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ESA - Missione Solar Orbiter

Lo studio ravvicinato del Sole può contare dal 2020 su una nuova sonda, stavolta europea. Il Solar Orbiter studia da vicino i poli solari per la prima volta ed è finalizzata alla comprensione delle connessioni esistenti tra Terra e Sole, ciò che va sotto il nome di Space Weather. Il Solar Orbiter risponde ad alcune delle principali domande sulla fisica solare. Missione ESA con forte partecipazione della NASA.

La missione Solar Orbiter

Gli strumenti e gli obiettivi scientifici della missione spaziale ESA-NASA dedicata principalmente allo studio dei poli solari.

Il Solar Orbiter è una missione ESA, con forte partecipazione NASA, finalizzata allo studio del Sole attraverso sorvoli ad alta latitudine , da una distanza di 0.28 UA dal Sole stesso, ottenendo le prime immagini dei poli solari nella storia. La sonda è finalizzata allo studio dell'eliosfera e delle connessioni esistenti tra Sole e Terra, sempre più importanti tanto da meritare una branca a parte chiamata Space Weather . 

Si tratta della prima missione di classe M selezionata nel programma scientifico dell'ESA Cosmic Vision 2015-2025. Nella durata della missione, prevista in sette anni più estensione, la sonda ha lo scopo di misurare il plasma del vento solare, i campi elettromagnetici e le particelle energetiche in una zona prossima alla stella, laddove resistono ancora relativamente incontaminati, e le modifiche nei successivi step. A questo si aggiunge la possibilità di ottenere informazioni sui processi alla base della ciclicità delle macchie solari e dell'insorgenza dei flares.

La sonda, costruita da Airbus Defence and Space in Gran Bretagna, prevede un modulo principale costituito da una piattaforma e da uno scudo termico (venti strati di titanio sottile mantenuto a distanza dalla sonda da dieci sostegni per dissipare il calore assorbito), fornito da Thales Alenia Space, costantemente orientato verso la stella al fine di sopportare temperature superiori ai 500°C. Le parti in ombra resteranno invece a -180°C. Per resistere maggiormente alla temperatura massima, lo scudo termico viene affiancato dal SolarBlack, tecnologia sviluppata da ESA, Airbus e Enbio, consistente in una preparazione di fosfato di calcio in grado di assorbire il calore La comunicazione è assicurata dalla antenna di 35 metri di Malargue in Argentina, dalla stazione di New Norcia in Australia e dalla stazione di Cebreros in Spagna (backup). I dati vengono inviati e analizzati al Mission Operations Centre di Darmstadt in Germania e allo Science Operations Center di Villanueva dela Canada in Spagna.

Il Solar Orbiter opera intorno al Sole nello stesso periodo del Parker Solar Probe della NASA e il lavoro delle due sonde sarà fondamentale anche per lo studio congiunto dei dati.

La sonda e gli strumenti

La sonda è caratterizzata da: 

• Massa al lancio: 1800 kg
• Massa del payload scientifico: 209 kg
• Dimensioni: 2.5x3.1x2.7 metri
• Lunghezza con pannelli solari aperti: 18 metri
• Pannelli solari: 6, ciascuno con dimensioni 2.1x1.2 metri, ruotano sul proprio asse per diminuire l'esposizione durante i passaggi ravvicinati. Sono uguali a quelli della missione Bepi Colombo.
• Potenza del payload: 180 W
• Antenne: 3 antenne a onde radio e plasma , ciascuna di 6.5 metri

 bordo del Solar Orbiter sono presenti dieci strumenti scientifici e l'immagine in alto fornisce uno spaccato della sonda finalizzato a comprenderne la distribuzione. Gli strumenti sono suddivisi in due tipologie principali: gli strumenti in situ misurano le condizioni intorno alla sonda stessa mentre gli strumenti di sensig remoto misurano cosa accada ad ampia distanza dalla sonda. Insieme, riescono a fornire una visione completa della corona solare e del vento solare.

Strumenti in situ

• EDP. Energetic Particle Detector - Strumento per la misurazione delle particelle energetiche che fluiscono vicino la sonda. Studia la composizione e la variazione delle particelle nel tempo, aiutando gli scienziati a comprenderne sorgente, meccanismo di accelerazione e processi di trasporto. Principal Investigator: Javier Roriguez-Pacheco, University of Alcalà, Spagna.
• MAG: Magnetometro - Strumento per la misurazione ad alta precisione del campo magnetico intorno alla sonda. Consente di determinare il legame tra il campo magnetico solare e il resto del Sistema Solare , nonché le variazioni nel tempo, aiutando nella comprensione del surriscaldamento coronale e della modalità di trasporto dell'energia nel vento solare. Principal Investigator: Tim Horbury, Imperial College London, United Kingdom.
• RPW: Radio and Plasma Waves - Strumento per la misurazione della variazione del campo magnetico e dei campi elettrici tramite un numero di sensori e antenne. La misurazione aiuta nella determinazione delle caratteristiche delle onde elettromagnetiche e dei campi nel vento solare. Si tratta dell'unico strumento che consente sia misurazioni in situ sia misurazioni remote. Principal Investigator: Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Francia.
• SWA: Solar Wind Plasma Analyser - Strumento costituito da una suite di sensori finalizzati alla misurazione delle proprietà del vento solare come densità, velocità e temperatura, nonché alla composizione del vento solare. Principal Investigator: Christopher Owen, Mullard Space Science Laboratory, United Kingdom.

Strumenti di remote sensing

• EUI: Extreme Ultraviolet Imager - Strumento finalizzato alla ripresa di immagini della cromosfera , della ragione di transizione e della corona solare. Consente agli scienziati di indagare sui processi di riscaldamento della corona solare e di ottenere dati, da collegare a quelli in situ, sulle origini del vento solare. Principal Investigator: David Berghmans, Royal Observatory Belgium 
• Metis: Coronografo - Strumento in grado di ottenere immagini simultanee della corona nel visibile e nell'ultravioletto , consentendo di evidenziare la struttura e la dinamica dell'atmosfera solare con dettagli senza precedenti andando da 1.6 a 3 raggi solari. Questo consente di osservare i link tra il comportamento delle regioni osservate e lo space weather nelle regioni interne del Sistema Solare. Coronografo con occultatore esterno, METIS ha un design ottico in grado di minimizzare l'apertura di entrata dello strumento per ridurre il flusso termico in ingresso. La luce del disco solare entra e viene respinta verso l'esterno dallo specchio M0. La luce coronale, invece, raggiunge lo specchio primario M1 e si riflette sul secondario M2, il quale concentra la radiazione sul rivelatore UV riflettendo invece la componente visibile attraverso un filtro intermedio  Principal Investigator: Marco Romoli, INAF - Università di Firenze, Italia
• PHI: Polarimetric and Helioseismic Imager - Strumento per la misurazione ad alta risoluzione del campo magnetico attraverso la fotosfera e per la mappa della luminosità a onde visibili. Lo strumento può produrre mappe di velocità del movimento della fotosfera, consentendo investigazioni sull'eliosismologia e sulla zona convettiva interna. Principal Investigator: Sami Solanki, Max Planck Institut fur Sonnensystemforschung, Germania.
• SoloHI: Heliospheric Imager - Strumento per la ripresa di immagini del vento solare, ottenute catturando la luce di scattering da parte degli elettroni nel vento stesso. Questo consente l'identificazione delle turbolenze transienti nel vento solare come quelle che possono innescare una espulsione di massa coronale (CME ). Principal Investigator: Russell A. Howard, US Naval Research Laboratory, Washington D.C., USA.
• SPICE: Spectral Imaging of the Coronal Environment - Strumento per la rilevazione delle proprietà della regione di transizione e della corona tramite misurazione dell'estremo ultravioletto emesso dal plasma. I dati vengono poi uniti alle proprietà del vento solare misurate dagli altri strumenti in situ.Principal Investigator for Operation Phase: Frédéric Auchère. IAS, Orsay, Francia
• STIX: X-ray Spectrometer/Telescope - Strumento di detection della radiazione X emessa dal Sole, proveniente da plasma caldo spesso collegato a attività magnetica esplosiva come quella dei flares. Lo strumento fornisce tempi, posizione, intensità e energia per eventi di questo tipo in modo da poterne studiare gli effetti sul vento solare. Principal Investigator: Sam Krucker, FHNW, Windish, Svizzera.

Ultimo aggiornamento del: 02/02/2020 14:30:30

Le fasi della missione

Dal lancio alla fase di viaggio verso il Sole: sono due gli anni che passano dalla Terra fino all'arrivo sul Sole.

Dopo un rinvio, la finestra di lancio del Solar Orbiter è passata dal giorno 8 febbraio ore 05.15 italiane al giorno 10 febbraio 2020 alle ore 05.03 italiane dallo Space Launch Complex 41, Cape Canaveral, in Florida. Il lancio avviene sotto la responsabilità delle agenzie ULA (United Launch Alliance) degli USA e USAF (United States Air Force), sempre statunitense.  Il vettore che si solleva da Terra è un Atlas V 411, a opera della United Launch Alliance (ULA), della Lockheed Martin e della General Dnamics, tutte e tre di tipo commerciale. 

Un lancio perfetto ha dato il là a due anni di viaggio. Venti ore dopo il lancio, alle ore 20:15 italiane del 10 febbraio 2020, il team del Planetary Defence di ESA ha immortalato il Solar Orbiter in fuga dalla gravità terrestre, alla distanza di 310 mila chilometri, attraverso il telescopio Schmidt di Calar Alto. L'animazione copre circa dieci minuti e si compone di 36 osservazioni di dieci secondi ciascuna. A una distanza ancora inferiore a quella lunare, il Solar Orbiter appare già di magnitudine 19.5, duecentocinquantamila volte più debole delle stelle più deboli visibili a occhio nudo. Il team di ESA ha così accolto la proposta di Gerhard Holtkam, amatore e guida pubblica all'ESA mission control.

Il viaggio

Il viaggio del Solar Orbiter è segnato da due passaggi ravvicinati al pianeta Venere e uno al pianeta Terra, finalizzati a strappare all'orbita dei pianeti un po' di energia. Venere viene sorvolata a dicembre 2020 e a agosto 2021 mentre la Terra viene sorvolata a novembre 2021. Un viaggio di due anni prima di entrare in una orbita estremamente ellittica intorno al Sole, con perielio fissato a 42 milioni di chilometri e afelio a 180 milioni di chilometri (più distante della Terra dal Sole quindi), con periodo di circa sei mesi. L'orbita è in risonanza con l'orbita venusiana e a ogni passaggio in prossimità del pianeta la sonda vede aumentare la propria inclinazione rispetto al Sole, giungendo a 25° a fine 2027 (fine della missione nominale) ed eventualmente a 34° a fine missione estesa, prevista per il 2030.

Il primo passaggio vicino al Sole è fissato per Giugno 2020 a 75 milioni di chilometri mentre il primo passaggio ravvicinato è fissato per Marzo 2022.

Riassumendo: 

• 27/12/2020: Primo fly-by di Venere - il sorvolo serve a portare la sonda più vicina al Sole e a modificarne l'inclinazione rispetto all'eclittica.  Una operazione che viene resa più complessa dalla situazione mondiale, alle prese con il Covid-19 che costringe i tecnici a operare da remoto, in smart-working. Il massimo avvicinamento si è avuto alle ore 12.39 UTC del 27 dicembre 2020 alla distanza di 7500 chilometri dalle nubi superiori di Venere. Diversi strumenti in-situ, come MAG, RPW e alcuni sensori di EPD, sono stati accesi per registrare il campo magnetico e le particelle mentre immagini non sono state acquisite visto che la sonda deve rimanere con la faccia rivolta verso il Sole. Il Solar Orbiter è posto in risonanza con Venere, il che vuol dire che torna nei pressi del pianeta ogni poche orbite; 
• 08/08/2021 - Secondo fly-by di Venere, a pochi giorni di distanza dal passaggio di BepiColombo.
• 26/11/2021 - Primo fly-by della Terra, alle ore 05.30 italiane del 27 novembre, con passaggio a 460 chilometri dalla superficie terrestre. La sonda passa a 0.3 gradi al secondo con una intensità luminosa troppo debole per la sua osservazione a occhio nudo, con passaggio osservabile da Nord Africa e Canarie. Il sorvolo porta la sonda a passare nelle zone dedicate ai satelliti geostazionari e a quelli in orbita bassa, zone popolate anche da detriti spaziali.
• 03/09/2022 - Terzo fly-by di Venere
• 18/02/2025 - Quarto fly-by di Venere
• 24/12/2022 - Quinto fly-by di Venere
• 17/03/2028 - Sesto fly-by di Venere
• 10/06/2029 - Settimo fly-by di Venere

I primi dati scientifici del Solar Orbiter sono giunti a Terra il 13 febbraio e vengono dal magnetometro, perfettamente funzionante dopo il dispiegamento del braccio della sonda. Sono stati attivati due sensori per tutto il tempo del dispiegamento, il che ha consentito di valutare l'impatto del satellite stesso sui dati registrati. Un segnale maggiore nei pressi del satellite, diminuito una volta giunto in posizione, è un segno di ottima resa e la differenza consente di "ripulire" i dati del vento solare dal rumore indotto dal Solar Orbiter stesso. 

Fino alla fine di Aprile 2020 vengono accesi gli strumenti in-situ per iniziare a prendere dati scientifici a metà Maggio 2020. A seguire è la volta degli strumenti di remote sensing. Il 27 febbraio è stato acceso con successo il coronografo Meti, il quale ha fornito le prime immagini in visibile e ultravioletto (scattate "a porta chiusa", giusto per test) per verificare il raggiungimento della temperatura operativa nei giusti tempi. Accensione alle 16.16 e spegnimento alle 19.25, con le prime calibrazioni da effettuare il 6 marzo dopo l'apertura della porta verso l'universo che avverrà il 3 marzo.

Sebbene a maggio e giugno 2020 non fossero previste attività particolari, la scoperta della cometa - poi frammentata - C/2019 Y4 ATLAS ha modificato un po' i piani visto che il Solar Orbiter viene a passare nella coda della cometa stessa ed è stato necessario assicurarsi l'avvio dei quattro strumenti più importanti per la presa dati. In genere l'incontro con le code cometarie da parte di sonde è sempre stato improvviso (la sonda Ulisse nel 1996 con la coda della Hyakutake ne è un esempio, come l'incrocio tra la stessa Ulisse e altre due comete entro il 2007) mentre il Solar Orbiter effettua il passaggio con una previsione ampia. Il passaggio nella coda ionica della cometa avviene tra il 31 maggio e il 1 giugno 2020 mentre il passaggio nella coda di polveri avviene il 6 giugno. Se la coda ionica è abbastanza densa, MAG può rilevare la variazione del campo magnetico interplanetario mentre SWA può catturare addirittura delle particelle di coda. La sonda può subire microimpatti ma il rischio è considerato più o meno nullo, con la possibilità di ottenere invece dati sui granelli vaporizzati all'impatto tramite RPW.

Il primo passaggio vicino al Sole - Giugno 2020

Come previsto, il 15 giugno 2020 la sonda è passata a 77 milioni di chilometri dalla superficie solare, a metà della distanza Terra-Sole. Durante le settimane successive al primo perielio vengono testati gli strumenti, compresi i telescopi di bordo, acquisendo immagini del Sole all'unisono, per la prima volta, da rilasciare a metà Luglio e puntuali le immagini arrivano mostrando sbuffi di plasma che si espandono fino a distanze elevatissime dalla superficie solare. Si tratta delle immagini solari riprese a una distanza dal Sole mai raggiunta prima, un record che sarà comunque battuto di nuovo dallo stesso Solar Orbiter, che raggiungerà i 42 milioni di chilometri.

Ultimo aggiornamento del: 21/11/2021 14:19:16

I risultati della missione

Dalla superficie solare alle interconnessioni con l'ambiente esterno fino alla frantumazione delle comete. Il Solar Orbiter si conferma un laboratorio in grado di fornire risposte a molte domande aperte

I dati del Solar Orbiter hanno consentito di calcolare la regione sorgente del vento solare che va a colpire il veicolo spaziale e di identificare questa "impronta" nelle immagini di telerilevamento. In un esempio di giugno 2020 l'impronta è vista sul bordo di una regione chiamata buco coronale, laddove il campo magnetico del Sole si estende nello spazio consentendo al vento solare di fluire. 

A inizio 2020 molto interesse hanno destato i "falò" solari: minuscole eruzioni che esplodevano sulla superficie della nostra stella. Sono stati chiamati falò poiché l'energia esatta associata a questi eventi non è ancora nota e senza questo dato non è chiaro se si tratti dello stesso fenomeno che origina fenomeni eruttivi a scala maggiore. Potrebbe in effetti trattarsi proprio delle microattività che si stanno cercando, quelle alla base del riscaldamento della corona solare. Lo strumento SPICE è venuto in soccorso su questo tema, dimostrando effettivamente la presenza di eventi su piccola scala in cui il gas si muove a velocità significativa. 

Il Solar Orbiter sarebbe anche andato a volare tra le code della cometa ATLAS, sebbene non sia stato progettato per incontri simili. La cometa è tuttavia andata in frantumi prima di questo incontro costringendo il Solar Orbiter a non osservare segnali forti  ma le firme più deboli di numerosi episodi di onde nei dati magnetici, nonché polvere.

Il 19 aprile 2020 una espulsione di massa coronale particolarmente interessante ha fornito un ottimo spunto di studio sia per il Solar Orbiter sia per BepiColombo, in viaggio verso Mercurio, sia per STEREO. La combinazione delle osservazioni ha consentito di studiare l'evoluzione della massa coronale durante il viaggio.

Ultimo aggiornamento del: 14/12/2020 16:31:49