MISSIONE CLASSE M PER L'ESA

Il “martello” di THOR per studiare il plasma

Su Media INAF la seconda puntata del racconto dei tre progetti scientifici sopravvissuti alla penultima fase per la selezione della missione spaziale che l’ESA manderà in orbita nel 2025. Dopo Ariel, affrontiamo la Turbulence Heating ObserveR. Seguite gli aggiornamenti su XIPE nelle prossime settimane

THORTHOR è uno dei tre progetti scientifici, ARIEL e XIPE gli altri due, che, confrontandosi con altri 24 progetti, hanno superato la penultima fase della selezione dell’ESA per la missione spaziale di classe M che verrà lanciata fra circa dieci anni. THOR è una missione spaziale, la prima pensata specificamente per risolvere il problema fondamentale del riscaldamento del plasma nell’Universo. Lo scopo di questa missione è, infatti, quello di comprendere come la turbolenza possa contribuire a dissipare l’energia immagazzinata nei plasmi spaziali, dando luogo al riscaldamento e all’energizzazione delle particelle che lo costituiscono.

Sebbene sia al di là della nostra percezione – sulla Terra la materia è prevalentemente negli stati di aggregazione solido, liquido e gassoso – il 99% della materia visibile nell’Universo è nello stato di plasma ed è dunque costituita da un gas di particelle cariche. È cosi per le stelle e i venti stellari, come il vento solare, per le magnetosfere e gli strati più esterni delle atmosfere planetarie, ed anche per i nuclei galattici attivi, i resti di supernova, il mezzo interstellare ed intergalattico, per citare solo alcuni esempi.

Per questo il satellite spaziale THOR, acronimo di “Turbulence Heating ObserveR”, sarà dotato della più sofisticata strumentazione ad oggi disponibile allo scopo di effettuare misure delle proprietà fisiche dei plasmi nello spazio vicino alla Terra con un dettaglio mai raggiunto prima. THOR, infatti, ha a bordo sensori per misurare campi elettrici e magnetici con estrema accuratezza e analizzatori elettrostatici multipli per la misura del moto delle particelle a risoluzioni temporali, energia e direzione mai ottenute prima.

«Abbiamo l’opportunità di comprendere meglio i processi più importanti dell’Universo», dice Andris Vaivads (Swedish Institute of Space Physics), project scientist della missione. «Quando di notte guardo le stelle, so che là fuori la turbolenza riscalda il plasma ovunque. Questo plasma emette la radiazione che osserviamo. Eppure, ancora non sappiamo come questo riscaldamento avvenga, perché non possiamo fare misure dirette in un plasma così lontano. Possiamo però farne nel plasma che abbiamo “a disposizione” vicino a noi. Tuttavia, ad oggi, non esistono misure sufficientemente dettagliate per lo studio dei fenomeni dissipativi. THOR ci fornirà la precisione di misura che ci serve fino alle scale più piccole. THOR è una sorta di microscopio puntato sui plasmi vicino a noi, che ci permetterà di studiare e comprendere meglio, insieme con le osservazioni astrofisiche e le simulazioni numeriche, la dinamica dei plasmi nel cosmo».

Il salto di qualità che caratterizza le osservazioni di THOR relativamente alle misure di particelle, sarà reso possibile dall’utilizzo coordinato di un insieme di evoluti analizzatori elettrostatici. «Per raggiungere le caratteristiche di misura desiderate per THOR saranno utilizzati numerosi analizzatori elettrostatici montati in maniera opportuna sul satellite», dice Maria Federica Marcucci (INAF-IAPS), membro dello Science Study Team della missione e responsabile dello sviluppo del computer di bordo, fornito dall’Italia in caso di selezione della missione, che avrà il compito di guidare le operazioni degli analizzatori.

La comprensione dei processi di riscaldamento e accelerazione del plasma, oltre ad avere un’evidente importanza intrinseca, è rilevante anche dal punto di vista pratico, per alcuni aspetti della nostra vita quotidiana. La nostra società tecnologicamente avanzata è debole di fronte ad eventi meteorologici spaziali estremi, legati ai processi di accelerazione delle particelle, che possono danneggiare i satelliti, ma anche le linee elettriche a Terra, e provocare disturbi di vario grado nelle telecomunicazioni e nei sistemi di navigazione. Per sviluppare adeguati strumenti di previsione delle condizioni dell’ambiente spaziale si ha bisogno di una conoscenza profonda dei fenomeni di accelerazione e riscaldamento.

Ma come può avvenire il riscaldamento del plasma? Le particelle cariche del plasma interagiscono con i campi elettrici e magnetici che permeano l’Universo. Il plasma si riscalda quando, in seguito a questa interazione, c’è un guadagno di energia per la maggior parte delle particelle. Sappiamo che il riscaldamento più intenso si verifica quando i campi elettrici e magnetici sono molto irregolari, quindi più turbolenti. La turbolenza ha, dunque, un ruolo fondamentale nei fenomeni di riscaldamento del plasma.

I “protagonisti” sulla scena sono tanti: una miriade di particelle e campi elettrici e magnetici che variano anche molto rapidamente nel tempo. Le interazioni fra questi “protagonisti” sono estremamente complesse. Tale complessità rende qualsiasi approccio teorico al problema particolarmente difficile; in queste condizioni, è indispensabile ricorrere alla modellizzazione numerica per poter caratterizzare i fenomeni fisici di rilievo.

«THOR è pensato per esplorare fenomeni fisici ai quali ad oggi non abbiamo alcun accesso. Grazie alla potenza di calcolo dei supercomputer moderni, oggigiorno le simulazioni numeriche permettono la modellizzazione della dinamica dei plasmi spaziali con un elevato grado di realismo, fornendo, così, importanti informazioni sulle proprietà fisiche del sistema che THOR investigherà. L’utilizzo di avanzatissimi strumenti numerici sarà pertanto un supporto essenziale per il successo di THOR», dice Francesco Valentini (Università della Calabria), membro dello Science Study Team della missione e Responsabile del team di supporto numerico.