LE SCOPERTE DI VIMS E DEGLI ALTRI STRUMENTI

10 anni di Cassini

Il 1° luglio 2014 ricorre l'anniversario dei primi 10 anni di osservazione di VIMS nel sistema di Saturno. Il racconto di Gianrico Filacchione delle scoperte dello spettrometro e degli altri strumenti -in parte italiani- a bordo di Cassini-Huygens

Il 1 luglio di 10 anni fa iniziava l’avventura dell’esplorazione del Sistema di Saturno da parte dello strumento VIMS a bordo della missione Cassini-Huygens. Da quel giorno, molte osservazioni e scoperte sono state fatte dal Visual and Infrared Mapping Spectometer, uno strumento nato da una collaborazione internazionale tra USA, Italia, Francia e Germania e  composto da due canali: il canale infrarosso, realizzato presso NASA-JPL e l’italiano canale Visibile, fornito da ASI, realizzato presso le Officine Galileo, ora Selex ES, sotto la guida di Angioletta Coradini dell’Istituto di Astrofisica di Roma, ora INAF-IAPS.

Un collage di vari risultati scientifici ottenuti in questi 10 anni dalla sonda Cassini-Huygens.

Un collage di vari risultati scientifici ottenuti in questi 10 anni dalla sonda Cassini-Huygens.

I dati parlano chiaro: solo VIMS ha condotto in questi dieci anni oltre 250.000 osservazioni pari ad un volume di dati di 171 Gb (circa 40 DVD) corrispondenti a quasi 160 milioni di spettri. In termini di pubblicazioni sono 180 quelle comparse su riviste referate collegate ai dati di VIMS di cui 60 hanno un autore o coautore INAF.

Per celebrare questa ricorrenza, l’INAF-IAPS ha organizzato un seminario scientifico a cura di Gianrico Filacchione, ricercatore dell’INAF-IAPS e Cassini Participating Scientist in cui sono stati raccontati i principali risultati scientifici di VIMS. E non solo di VIMS, ma anche degli altri strumenti italiani. Perché la partecipazione italiana alla missione Cassini, una missione NASA-ESA-ASI, è sostanziale in ogni aspetto. L’ASI è infatti uno dei partner della missione e, a parte lo spettrometro VIMS, l’Italia ha partecipato con il sottosistema di radioscienza e il Radar dell’orbiter, nonché con lo strumento HASI a bordo del lander Huygens. Tutti strumenti gestiti da team di ricercatori provenienti da istituti diversi, che per la maggior parte del tempo lavorano incrociando i dati e collaborando agli stessi articoli scientifici. Seguiamo quindi il racconto di Filacchione per ripercorrere come Cassini, VIMS, il radar e gli altri strumenti abbiano cambiato negli anni il nostro modo di vedere il sistema di Saturno.

La vorticosa atmosfera di Saturno

Il vortice esagonale al polo nord di Saturno visto nel visibile e, nel riquadro, nell'infrarosso.

Il vortice esagonale al polo nord di Saturno visto nel visibile e, nel riquadro, nell’infrarosso.

Iniziamo dal pianeta e dalla sua atmosfera. VIMS e la camera ad alta risoluzione hanno permesso uno studio dei vortici che caratterizzano l‘atmosfera del pianeta, mettendo i dati sperimentali a confronto con dei modelli teorici. In questo lavoro, è stata prestata particolare attenzione alla struttura ad esagono, il vortice permanente al polo nord del pianeta osservato per la prima volta dalla missione Voyager e studiato in dettaglio dalla camera ma anche dal canale IR dello strumento italiano.

Saturno, signore degli anelli

Gli strumenti di Cassini si sono poi concentrati sugli anelli, mettendo in risalto come questi ultimi siano delle strutture vive, dinamiche e in evoluzione, percorse da onde di densità radiali e verticali, instabilità e altre perturbazioni arabescanti, causate principalmente dalle interazioni gravitazionali e dalle risonanze con le lune, ma anche dell’interazione dei grani con il campo magnetico del pianeta. Tutte queste strutture sono state osservate in alta risoluzione, con un dettaglio prima inimmaginabile. Alcune sono state scoperte per la prima volta. Racconta Filacchione “Studiare lo smorzamento delle onde che percorrono gli anelli causate dalle risonanze con le Lune permette di trarre conclusioni sulla dimensione e la densità dei grani che formano gli anelli stessi. In particolare, VIMS correlando i suoi dati con altri strumenti (UVIS e CIRS, rispettivamente gli spettrometri nell’ultravioletto e nel termico) ha effettuato diversi studi per dedurre dimensioni dei grani, composizione, temperatura e presenza di materiali organici misti al ghiaccio”. Tutto questo è finito su Science a Marzo 2010, in un numero storico di review dedicato agli anelli di Saturno. E in numerosi altri articoli, di cui l’ultimo è in stampa proprio in questi giorni.

Una immagine degli anelli fotografati all'equinozio, con luce radente, della della camera di Cassini. Sono evidenti le ombre gettate sugli anelli dalle onde verticali al bordo.

Una immagine degli anelli fotografati all’equinozio, con luce radente, della della camera di Cassini. Sono evidenti le ombre gettate sugli anelli dalle onde verticali al bordo.

Da segnalare come sia stato fondamentale, per raggiungere questi obiettivi scientifici, pianificare le osservazioni in modo intelligente e accorto. Come per esempio per le osservazioni all’equinozio, in cui la scelta vincente di osservare gli anelli con la luce del sole radente, ha permesso di calcolare in modo semplice ed efficace l’altezza delle onde, grazie alle loro ombre. Oppure nel caso di osservazioni di occultazione stellari, in cui si osserva una stella passare dietro agli anelli, verificando quali colori del suo spettro vengano assorbiti.

Anelli giovani o vecchi?

Purtroppo gli strumenti di Cassini non hanno permesso di raccogliere prove a sufficienza per risolvere uno dei più grandi misteri che avvolge il pianeta e cioè la formazione dei suoi anelli. Ad oggi sono due le teorie esistenti: la prima è quella del disco “antico”, formato dai rimasugli del disco protoplanetario di formazione del pianeta stesso, non incorporati in una delle lune. La seconda ipotesi è quella degli anelli “giovani” e racconta la storia di una Luna che essendosi avvicinata troppo a Saturno, sarebbe stata disgregata dall’azione del pianeta e dei suoi satelliti. In questo secondo caso, gli anelli si sarebbero formati in epoca più recente. In realtà, Cassini ha raccolto evidenze a favore di entrambe le teorie, che ancora coesistono sullo scenario. Spiega Fiacchione: “se gli anelli fossero antichi, dovrebbero essere molto più scuri. Considerate che gli anelli sono molto estesi, occupano una superficie pari a 44 miliardi di chilometri quadrati con uno spessore che non raggiunge il chilometro. Con una superficie così ampia il bombardamento meteoritico deve essere stato importantissimo e avrebbe dovuto scurire molto di più gli anelli. Una teoria di anelli giovani invece pone problemi di dinamica. È difficile immaginare una o più lune che si avvicinino a Saturno fino a disintegrarsi in un urto relativamente recente, superando le lune regolari che osserviamo oggi e che delimitano gli anelli nella loro configurazione attuale.”

Encelado e lo zoo delle strane lune di Saturno

Un montaggio delle immagini della camera di Cassini con il ritratto di Encelado, con le sue tiger stripes, e nel riquadro, i plumes, getti di vapori scoperti nel 2005.

Un montaggio delle immagini della camera di Cassini con il ritratto di Encelado, con le sue tiger stripes, e nel riquadro, i plumes, getti di vapori scoperti nel 2005.

Se da un lato il mistero della formazione degli anelli non è ancora stato del tutto risolto, dall’altro Cassini ha fatto moltissimo per lo studio dei satelliti di Saturno, osservando con numerosi flyby questo zoo di corpi celesti strani e misteriosi, tra loro molto diversi. Per alcuni di essi, con VIMS è stato possibile realizzare una mappatura parziale o totale della superficie, producendo delle vere mappe geologiche e composizionali di mondi finora sconosciuti, come Dione o Rea. Tra i risultati più famosi, quelli relativi a Encelado e le sue “tiger stripes”, i caratteristici graffi di tigre che ne coprono la superficie e da cui fuoriescono i “plumes”, i getti osservati per la prima volta da Cassini nel 2005 e oggi associati all’esistenza su Encelado di oceani sotterranei. Racconta Filacchione: “Il confronto tra i dati di VIMS e degli altri strumenti di remote sensing ha permesso di studiare la composizione di queste zone attive attorno al polo sud di Encelado da cui vengono emessi i plume, rivelando come il ghiaccio delle tiger stripes sia prevalentemente cristallino e più caldo delle zone circostanti” Anche questo risultato ha meritato nel 2006 la copertina di Science.

Ritratto di famiglia

Ma non è tutto. Con i dati di VIMS e degli altri strumenti è stato anche possibile confrontare tra loro le molte lune, dipingendo un ritratto di famiglia del Sistema di Saturno che in parte ne spiega la complicata storia. Il risultato è stato raggiunto con un approccio statistico, prendendo in considerazione delle osservazioni “full-disk” cioè misure mediate su tutto il pianeta visibile, grazie alle quali i satelliti sono stati catalogati in funzione della presenza di ghiaccio d’acqua e dello studio dei contaminanti, materiali scuri diversi dal ghiaccio. Alcune caratteristiche dello spettro, hanno infatti permesso di distinguere la quantità di questi contaminanti e come essi siano mischiati con il ghiaccio: in una deposizione di materiali chimicamente distinti (come neve pura su cui venga sparsa della fuliggine) o come in un mix intimo di vari materiali (come neve formatasi da acqua e fuliggine).

Racconta Filacchione: “Da questa catalogazione si è dedotto un ritratto d’insieme molto interessante del sistema di Saturno. Gli anelli sono formati da grani in uno stato di continua aggregazione e disgregazione e per questo le particelle che li compongono inglobano al loro interno i contaminanti, residui del bombardamento meteoritico. Questo processo ne causa il caratteristico colore ambrato e arrossato. Il ghiaccio più puro si trova sulle superfici di Encelado e dei satelliti più interni che orbitano nell’anello E, dall’orbita di Mimas a quella di Rhea. Questo perché vengono riforniti continuamente dai getti di Encelado di particelle di ghiaccio fresco che si depositano sulle superfici dei satelliti provocandone il caratteristico colore blu. Ma andando verso l’esterno, incontriamo due oggetti in cui ghiaccio e contaminanti non sono mischiati a livello molecolare: Giapeto, sul cui emisfero scuro si è depositato uno strato di nera fuliggine e Iperione, la cui superficie porosa assomiglia a quella di una spugna e che presenta molti crateri che funzionano come trappole fredde che catturano CO2 e materiali contaminanti organici . La sorgente della contaminazione dei due è probabilmente Febe, che, per la sua diversa composizione e la sua orbita inclinata, risulta essere un oggetto estraneo probabilmente catturato da Saturno. Febe orbita in un anello il cui materiale spiraleggia verso Giapeto e Iperione, sporcandone le superfici. A parte questo ed altri fenomeni locali, la distribuzione di ghiaccio è lineare, comunque compatibile con l’ipotesi che i diversi oggetti del sistema di Saturno si siano formati nelle stesse condizioni, da uno stesso disco proto planetario.”

Titano, un mondo a parte

Un montaggio delle immagini degli strumenti di Cassini che mostra Titano visto nel visibile (a destra) e nell'infrarosso.

Un montaggio delle immagini degli strumenti di Cassini che mostra Titano visto nel visibile (a destra) e nell’infrarosso.

C’è poi il grande capitolo di Titano, il più grande satellite di Saturno e il secondo nell’intero Sistma Soalre, più piccolo solo di Ganimede, luna di Giove. Il punto di partenza per Cassini, nel lontano 2004, erano delle osservazioni che nel visibile mostravano un disco totalmente opaco ed arancione, con un layer di aerosol rivelato tramite un sottile strato azzurro nell’atmosfera esterna della luna. Nemmeno l’atterraggio di Huygens sulla superficie del satellite nel gennaio del 2005 ha permesso di decifrare completamente la natura di Titano. Il lander è disceso in una zona arida, dove solo la forma arrotondata dei ciottoli rinvenuti al suolo faceva ipotizzare l’esistenza di liquidi. Per fortuna, a bordo di Cassini, VIMS e il radar hanno potuto fare grandi cose nei dieci anni di osservazioni. Nell’infrarosso, usando le finestre di trasmissione dell’atmosfera, è stato possibile osservare in dettaglio la grande diversificazione della superficie di questa luna. Una superficie estremamente variegata, coperta di laghi, oceani, isole e dal terreno ricoperto da montagne e dune e sorprendenti criovulcani, la cui presenza è stata osservata direttamente dagli strumenti a partecipazione italiana. La conferma di liquidi sulla superficie di Titano è stata rivelata per la prima volta in modo sorprendente, quando VIMS in una particolare configurazione osservativa ha catturato un bagliore anomalo, un raggio di luce proveniente da Titano. Quella luce non poteva che essere il riflesso dovuto dalla superficie liquida di un lago. In seguito i laghi sono stati studiati in grandissimo dettaglio, correlando i dati di VIMS con il radar è stato anche possibile osservare come queste strutture evolvano al passare delle stagioni, identificando un ciclo molto simile a quello terrestre, in cui il metano sostituisce l’acqua.

In particolare, questi ultimi risultati evidenziano come sia importante osservare a lungo un oggetto planetario, studiandone le modifiche al passare delle stagioni. Con la sua lunga durata, protratta benoltre il 2008, fine inizialmente prevista della missione, Cassini ha infatti avuto l’opportunità di osservare Saturno e le sue lune per una intera stagione: dal 2004, quando l’emisfero sud del pianeta era in piena estate, protraendosi fino al 2009, profittando dell’equinozio, per continuare fino al 2017, anno in cui l’estate arriverà nell’emisfero nord del pianeta. Dopo il 2017, e ben 20 anni di attività, Cassini finirà la sua lunga e proficua carriera tuffandosi nell’atmosfera del pianeta.

Ci si aspetta ancora grandi cose da questa missione NASA-ESA-ASI e tutta la comunità scientifica concorda nel dire che nella sua lunga vita, Cassini ha e avrà rivoluzionato il nostro modo di vedere Saturno e in genere il Sistema Solare. Ma avrà anche confermato quanto sia importante, per ottenere questi risultati, correlare tra loro dati sperimentali provenienti da strumenti e team diversi, risultati teorici, dati di laboratorio e una grande capacità ingegneristica di progettazione della missione stessa. Sottolineando ancora una volta, come per la ricerca (spaziale e non) sia fondamentalmente il lavoro di squadra.

Per maggior informazioni:

Scarica il file pdf con la lista degli articoli citati nel seminario Link
Il sito IAPS sullo strumento VIMS http://solarsystem.iaps.inaf.it/vims/
Cassini sul sito ASI http://www.asi.it/it/attivita/sistema_solare/cassinihuygens
Il team di VIMS http://solarsystem.iaps.inaf.it/vims/vims-team