La sonda Galileo

La sonda Galileo, una missione spaziale della NASA lanciata nel 1989, ha rivoluzionato la nostra comprensione del sistema gioviano. Destinata a studiare Giove e i suoi satelliti, Galileo ha trasformato la nostra visione del sistema relativo attraverso una serie di osservazioni dettagliate e approfondite. Equipaggiata con una vasta gamma di strumenti scientifici, tra cui fotocamere, spettrometri e magnetometri, la sonda ha fornito informazioni preziose sulla topografia, la composizione chimica e i fenomeni atmosferici di Giove e delle sue lune. Seguici su Eagle sera per saperne di più.

La sonda Galileo

Galileo è stata una sonda inviata dalla NASA per studiare il pianeta Giove e i suoi satelliti. Dedicata a Galileo Galilei, venne lanciata il 18 ottobre 1989 dallo Space Shuttle Atlantis nella missione STS-34. Giunse su Giove il 7 dicembre 1995 dopo un viaggio di 6 anni, attraverso l'ausilio gravitazionale di Venere e della Terra. Galileo effettuò il primo sorvolo di un asteroide, scoprì il primo satellite di un asteroide, fu la prima sonda ad orbitare attorno a Giove e a lanciare la prima sonda nella sua atmosfera. Il 21 settembre 2003, dopo aver trascorso 14 anni nello spazio e 8 anni di servizio nel sistema gioviano, la missione venne terminata inviando l'orbiter nell'atmosfera di Giove ad una velocità di circa 50 km/s per evitare ogni possibilità di contaminare i satelliti con dei batteri provenienti dalla Terra. Nel 2018 Il lavoro svolto dalla sonda Galileo è stato rivisto ed ha fornito le prove più consistenti sull'esistenza degli enormi getti d'acqua e vapore che si producono sulla superficie di Europa, una delle lune di Giove. Il lancio della sonda Galileo è stato rinviato a causa dalla mancanza di lanci dello Space Shuttle dopo il disastro dello Space Shuttle Challenger avvenuto nel 1986. I nuovi protocolli di sicurezza introdotti dopo l'incidente comportarono l'utilizzo di uno stadio superiore a potenza ridotta, al posto dello stadio Centaur, per l'invio della sonda dall'orbita terrestre verso Giove. La velocità necessaria per raggiungere la destinazione venne raggiunta attraverso l'effetto di fionda gravitazionale una volta attraverso il pianeta Venere e due volte attorno alla Terra (la manovra è chiamata VEEGA - Venus Earth Earth Gravity Assist maneuver). Durante il volo vennero effettuate osservazioni ravvicinate dell'asteroide 951 Gaspra il 29 ottobre 1991 e dell'asteroide 243 Ida, del quale, per la prima volta per un asteroide, si è scoperto possedere un satellite proprio, Dattilo. Nel 1994 la sonda fu nella posizione ideale per osservare lo schianto dei frammenti della cometa Shoemaker-Levy 9 su Giove, mentre i telescopi dovettero attendere che i siti di impatto fossero rivolti verso la Terra. La missione primaria era costituita da uno studio di due anni del sistema gioviano. La sonda orbitò attorno al pianeta con orbite ellittiche con periodo pari a circa 2 mesi. In base alle diverse distanze da Giove, la sonda effettuò dei campionamenti della magnetosfera gioviana e le orbite permisero di effettuare dei sorvoli ravvicinati dei satelliti maggiori. Dopo la conclusione della missione principale, iniziò una estensione della missione il 7 dicembre 1997 che comprendeva una serie di sorvoli ravvicinati di Europa e di Io, il più vicino dei quali portò la sonda a 180 km da Io il 15 dicembre 2001. Le radiazioni che lo circondano furono tuttavia dannose per i sistemi di Galileo (per questo motivo i sorvoli vennero programmati nella missione estesa, dove era maggiormente accettabile un'eventuale perdita della sonda) e il 17 gennaio 2002 furono disattivate le camere dopo essere state danneggiate irreparabilmente. Gli ingegneri della NASA furono in grado tuttavia di recuperare le elettroniche del registratore interno in modo da poter trasmettere i dati fino al termine della missione. Galileo venne costruita dal Jet Propulsion Laboratory, che gestì la missione per conto della NASA. Al lancio, la massa dell'orbiter e della sonda era di 2.564 kg e raggiungeva una altezza di 7 metri. Una sezione era posta in rotazione ad una velocità di 3 giri al minuto, mantenendo la sonda stabile e in grado di raccogliere dati attraverso sei strumenti da varie direzioni. Le altre sezioni erano fisse e contenevano le camere e altri quattro strumenti che dovevano essere puntati accuratamente mentre Galileo era in viaggio nello spazio, tra cui il sistema di controllo dell'assetto. Il software che operava nel computer di bordo e che veniva regolarmente trasmesso dalla Terra dal team della missione era costituito da 650.000 linee di codice per il calcolo dell'orbita, 1.615.000 linee per l'interpretazione della telemetria e 550.000 linee per la navigazione. La sonda era controllata da un microprocessore Cosmac RCA 1802 con un clock di 1,6 MHz fabbricato su zaffiro, che è un materiale robusto per le operazioni nello spazio. Questo processore fu il primo chip CMOS a basso costo, quasi paragonabile al modello 6502 presente sui computer Apple II. Questa CPU è stata utilizzata precedentemente a bordo delle sonde Voyager e Viking Il sistema di controllo dell'assetto fu scritto nel linguaggio di programmazione HAL/S, utilizzato anche per lo Space Shuttle. Il sottosistema di propulsione era costituito da un motore principale da 400 N e dodici propulsori da 10 N, oltre che da propellente, serbatoi pressurizzati e l'impianto idraulico. I serbatoi contenevano 925 kg di idrazina e tetrossido di diazoto. I pannelli solari non erano una soluzione pratica alla distanza di Giove dal Sole (sarebbero stati necessari un minimo di 65 metri quadrati), e le batterie sarebbero state troppo ingombranti. L'energia della sonda era fornita da due generatori termoelettrici a radioisotopi, attraverso il meccanismo del decadimento radioattivo del plutonio-238. La generazione del calore derivata da questo decadimento veniva convertito in elettricità per mezzo dell'effetto Seebeck. L'elettricità era quindi fornita da questa fonte di energia affidabile, durevole e non influenzata dal freddo ambiente spaziale e dai campi radioattivi come quelli incontrati nella magnetosfera gioviana. Ogni RTG, montato su un braccio lungo 5 metri, portava 7,8 kg di 238Pu e conteneva 18 moduli di generazione del calore, progettati per resistere a molti possibili incidenti come l'incendio o l'esplosione del veicolo, il rientro nell'atmosfera con impatto a terra o in acqua e altre situazioni. Le protezioni nel caso di un potenziale rientro erano garantite da una copertura esterna di grafite e da un rivestimento di iridio delle celle a combustibile. Al lancio i generatori producevano 570 watt, decrescendo ad un ritmo di 0,6 watt per mese fino a giungere a 493 watt all'arrivo su Giove. Prima del lancio della sonda, il movimento anti-nucleare sollecitò un'ingiunzione della corte per proibire il lancio di Galileo, considerando i propulsori nucleari un rischio inaccettabile alla sicurezza pubblica. Questi sono stati usati per anni nella esplorazione planetaria senza problemi, ma gli attivisti ricordarono l'incidente del satellite russo Cosmos 954 con propulsore nucleare in Canada nel 1978 e il disastro dello Space Shuttle Challenger ha aumentato le preoccupazioni pubbliche sull'eventualità di una esplosione. Inoltre nessun veicolo con propulsore RTG aveva mai effettuato prima un volo ravvicinato attorno alla Terra ad alta velocità, come era previsto dalla manovra VEEGA. Lo scienziato Carl Sagan disse nel 1989 che: "non c'è nulla di assurdo in entrambe le parti di questo argomento." Gli strumenti scientifici per la misurazione dei campi e delle particelle erano montati sulla sezione rotante, assieme con l'antenna principale, i generatori di energia, il modulo propulsivo e la maggior parte dell'elettronica dei computer e dei controlli della sonda. I sedici strumenti (con un peso complessivo di 118 kg) includevano:

un magnetometro montato su un braccio lungo 11 metri per minimizzare le interferenze della sonda
uno strumento per rilevare particelle cariche a bassa energia del plasma, un rilevatore di onde di plasma generate dalle particelle
un rilevatore di particelle cariche ad alta energia
un rilevatore di polvere cosmica
un contatore di ioni pesanti
rilevatore per ultravioletto estremo accoppiato ad uno spettrometro UV

La sezione non rotante includeva:

il sistema di camere
lo spettrometro all'infrarosso vicino per riprendere immagini multispettrali nell'analisi chimica della superficie e dell'atmosfera dei satelliti
uno spettrometro all'ultravioletto per studiare i gas
un foto-polarimetro radiometro per misurare l'energia irradiata e riflessa.

Il sistema fotografico permetteva la ripresa di immagini dei satelliti di Giove ad una risoluzione da 20 a 1000 volte migliore rispetto a quella della sonda Voyager, a causa della maggiore vicinanza al pianeta e alle sue lune e della maggiore sensibilità del sensore CCD. La sonda atmosferica venne rilasciata dalla Galileo cinque mesi prima dell'arrivo su Giove, nel luglio 1995, ed entrò nell'atmosfera gioviana senza l'ausilio di sistemi di aerofrenaggio. Questo tipo di ingresso atmosferico fu il più difficile mai compiuto; la sonda effettuò l'ingresso ad una velocità di 47,8 km/s e venne rallentata dall'intenso attrito con l'atmosfera fino ad una velocità subsonica in appena 2 minuti. Lo scudo termico, incaricato di proteggere gli strumenti di bordo, aveva una massa di 152 kg (circa la metà dell'intera sonda) e ne perse 80 durante la discesa. Per simulare il calore e la pressione venne creato un apposito laboratorio NASA (Giant Planet Facility). In seguito la sonda dispiegò il suo paracadute e scaricò lo scudo termico. Durante la discesa di 150 km attraverso gli strati alti dell'atmosfera del pianeta, la sonda raccolse 58 minuti di dati. Questi vennero trasmessi per mezzo di una coppia di trasmettitori operanti sulla banda L ad una velocità di 128 bit/s alla sonda Galileo che li ritrasmise verso la Terra. Gli strumenti scientifici presenti, alimentati da batterie LiSO2 che fornirono una potenza di 580 watt e una capacità di 21 ampere-ora, erano:

atmospheric structure instrument group per la misurazione della temperatura, la pressione e la decelerazione
neutral mass spectrometer
helium-abundance interferometer per gli studi sulla composizione atmosferica
nefelometro per le osservazioni delle nubi
net-flux radiometer per la misurazione delle differenze nel flusso di energia irradiata ad una certa altitudine
lightning/radio-emission instrument assieme ad un rilevatore di particelle energetiche per misurare le emissioni di luce e radio associate ai fulmini e alle particelle cariche nelle fasce di radiazione del pianeta.

I dati complessivi inviati dalla sonda atmosferica furono circa 2,5 Mbit. La sonda terminò di trasmettere dati prima di raggiungere la massima distanza prevista dal collegamento; il problema fu causato probabilmente dal surriscaldamento, indicato dai sensori prima della perdita delle trasmissioni. La sonda incontrò dunque delle condizioni di temperatura e pressione superiori al previsto. Essa potrebbe essere stata infine fusa e vaporizzata al raggiungimento della temperatura critica, dissolvendosi completamente nell'atmosfera del pianeta. La sonda Galileo giunse sul pianeta il 7 dicembre 1995 e completò 35 orbite durante la missione di otto anni. I dati scientifici forniti furono molto utili per la comprensione di Giove e dei suoi satelliti da parte degli scienziati. I principali risultati scientifici sono stati i seguenti:

La sonda effettuò la prima osservazione di nubi di ammoniaca nell'atmosfera del pianeta.
Fu confermata una estesa attività vulcanica su Io, circa 100 volte maggiore a quella presente sulla Terra. Il calore e la frequenza delle eruzioni ricordano quelle che forse erano presenti sulla Terra primordiale.
Sono presenti complesse interazioni del plasma nell'atmosfera di Io che creano immense correnti elettriche
La sonda fornì diverse prove a sostegno della tesi della presenza di oceani liquidi sotto la superficie ghiacciata di Europa
Su Ganimede venne rilevato un campo magnetico, il primo satellite a possederne uno.
Vennero fornite le prove che Europa, Ganimede e Callisto possiedono un sottile strato di atmosfera.
Il sistema di anelli di Giove si formò dalla polvere sollevata dallo scontro di un meteorite con uno dei satelliti interni. L'anello più esterno è composto in realtà da due anelli, uno situato dentro l'altro.
È stata identificata la struttura globale e la dinamica della magnetosfera del gigante gassoso.

Lo star scanner era un piccolo telescopio ottico utilizzato per fornire alla sonda un riferimento nell'assetto. È stato comunque in grado, per effetto della serendipità, di effettuare scoperte scientifiche. La prima scoperta fu che era possibile rilevare particelle ad alta energia sotto forma di rumore. I dati vennero calibrati e mostrarono degli elettroni con energia superiore a 2 MeV che erano intrappolati nelle fasce del campo magnetico gioviano. La seconda scoperta venne effettuata nel 2000, mentre lo star scanner stava osservando un gruppo di stelle tra cui Delta Velorum, una stella di seconda magnitudine. La stella si indebolì in luminosità per 8 ore sotto alla soglia di sensibilità dello strumento. Successive analisi dei dati e attraverso il lavoro di astronomi amatoriali e professionisti si scoprì che Delta Velorum è una stella binaria a eclisse, con un massimo di luminosità superiore perfino ad Algol. Carl Sagan, meditando sulla questione se la vita terrestre potesse essere facilmente rilevata dallo spazio, progettò una serie di esperimenti nei tardi anni ottanta utilizzando gli strumenti della sonda da compiere durante il primo sorvolo della Terra della missione nel dicembre 1990. Dopo l'acquisizione e l'elaborazione dei dati, Sagan fece una pubblicazione sulla rivista Nature nel 1993 dove presentò i risultati degli esperimenti. La sonda Galileo trovò quelli che vengono chiamati i "criteri di Sagan per la vita", ovvero:

forte assorbimento di luce nell'estremità rossa dello spettro visibile (in particolare sopra i continenti), causata dall'assorbimento della clorofilla durante la fotosintesi delle piante.
assorbimento nello spettro dell'ossigeno molecolare, come risultato dell'attività delle piante.
assorbimento nello spettro dell'infrarosso provocato dal metano in quantità di 1 micromole per mole.
trasmissione di onde radio modulate a banda stretta, che non possono provenire da alcuna sorgente naturale

Nel dicembre 1992, durante il secondo sorvolo della Terra per la manovra gravitazionale, venne effettuato un esperimento ottico utilizzando la sonda per appurare la possibilità di effettuare comunicazioni ottiche per mezzo di impulsi di luce generati da potenti laser situati a Terra. L'esperimento venne chiamato Galileo OPtical EXperiment (GOPEX) e vennero utilizzati due siti separati per inviare impulsi laser alla sonda, uno nel Table Mountain Observatory in California e l'altro nello Starfire Optical Range nel Nuovo Messico. L'esperimento ebbe successo e i dati acquisiti potranno essere utili nel futuro per progettare connessione dati tramite laser per inviare grandi quantità di dati dalle sonde verso Terra. Questo tipo di comunicazione sarebbe stata utilizzata nella missione Mars Telecommunication Orbiter, ma la missione è stata cancellata nel 2005. Il 29 ottobre 1991, due mesi prima di entrare nella fascia degli asteroidi, la sonda incontrò per la prima volta in assoluto un asteroide passando a circa 1600 km ad una velocità relativa di 8 km/s. Vennero riprese diverse immagini di Gaspra, assieme a misurazioni effettuate con lo spettrometro NIMS per individuare la composizione e le caratteristiche fisiche. Le ultime due immagini vennero inviate a Terra nel novembre 1991 e nel giugno 1992. Questi dati rivelarono un corpo di dimensioni molto irregolari di circa 19 × 12 × 11 km con molti crateri. Ventidue mesi dopo l'incontro con Gaspra, il 28 agosto 1993 la sonda passò ad una distanza di 2400 km dall'asteroide Ida. Si scoprì che l'asteroide possiede un satellite con un diametro di 1,4 km, chiamato Dattilo, il primo satellite posseduto da un asteroide mai scoperto. Vennero effettuati i rilevamenti utilizzando la fotocamera SSI, il magnetometro e lo spettrometro NIMS. Dalle successive analisi dei dati, esso appare come un asteroide di tipo SII, differente da Ida. È stato quindi ipotizzato che Dattilo sia stato prodotto dalla fusione parziale di un corpo più grande appartenente alla famiglia Coronide. La famiglia Coronide di asteroidi, a cui appartiene Ida, è situata nella fascia principale. Per ragioni sconosciute, e che probabilmente non potranno mai essere accertate con sicurezza, la grande antenna ad alto guadagno, progettata per inviare a Terra la grande quantità di dati generata dagli strumenti della sonda, rifiutò di aprirsi e i tentativi, durati mesi, furono tutti vani. La causa fu attribuita al disseccamento del lubrificante dei meccanismi di apertura dell'antenna, avvenuta durante gli anni in cui la sonda rimase in un deposito in attesa di essere lanciata (il lancio originale era previsto per il 1986). Si dovette quindi far fronte alla situazione utilizzando la sola antenna a basso guadagno, che era molto piccola e permetteva un flusso di poche decine di bit al secondo (a differenza dei 134 kBps che sarebbero stati disponibili con l'antenna principale). Il problema fu risolto mediante nuovi algoritmi di compressione, che permisero di impacchettare i dati in meno spazio. Inoltre, una certa percentuale dei dati previsti fu tagliata. Le immagini, che occupano un'enorme quantità di spazio, subirono i tagli maggiori. Nell'ottobre 1995 il registratore digitale a quattro tracce costruito dalla Odetics Corporation rimase bloccato in modalità di riavvolgimento per 15 ore. Anche se il registratore era ancora funzionante, il malfunzionamento poteva aver danneggiato una porzione di nastro al termine della bobina. Questa porzione di nastro fu dichiarata off limits e non venne utilizzata per la registrazione dei dati. Questo problema avvenne qualche settimana prima dell'inserimento nell'orbita gioviana, e obbligò gli ingegneri a sacrificare l'acquisizione dei dati dalle osservazioni di Io e Europa durante l'inserimento in orbita, per registrare solo i dati inviati dalla discesa della sonda. Nel novembre 2002, dopo l'unico incontro della sonda con il satellite Amaltea la missione fu nuovamente ostacolata dai problemi relativi al registratore: dopo 10 minuti dal momento di minima distanza con la luna di Giove la sonda terminò improvvisamente la raccolta dei dati, spegnendo tutti gli strumenti ed entrando in modalità di sicurezza. Apparentemente questo fu causato dall'esposizione all'ambiente estremamente radioattivo attorno al pianeta. Anche se la maggior parte dei dati furono registrati, il registratore si rifiutò di riprodurre i dati. Attraverso attente analisi compiute in diverse settimane a terra su un identico registratore presente nei laboratori, venne determinato che la causa del malfunzionamento era da imputare ad una riduzione dell'emissione di luce in tre LED posizionati nell'elettronica del dispositivo. La diagnostica di bordo aveva interpretato il problema come un incorretto posizionamento della testina di codifica (motor encoder wheel). Il Team di Galileo riuscì a risolvere il problema, ripristinando il funzionamento del registratore per periodi di quattro ore. Vennero quindi riprodotti e trasmessi a Terra i dati riguardanti il satellite Amaltea. L'ambiente radioattivo di Giove provocò più di 20 anomalie di funzionamento, oltre ai problemi descritti sopra. A fronte di un superamento dei limiti di radiazione tollerate dal progetto della sonda di un fattore 3, Galileo riuscì a sopravvivere. Molti strumenti scientifici subirono un incremento di rumore mentre erano all'interno di un raggio di 700 000 km dal pianeta, e ad ogni avvicinamento a Giove i cristalli di quarzo che venivano usati per i riferimenti di frequenza subirono degli spostamenti di frequenza permanenti. Un rilevatore di rotazione entrò in avaria e i dati che provenivano dal giroscopio erano influenzati dalle radiazioni. La camera a stato solido SSI iniziò a produrre immagini totalmente bianche dopo che la sonda venne coinvolta nel 2000 da un'eccezionale espulsione di massa dalla corona solare. Gli effetti più importanti furono un reset dei computer, ma si riuscì a trovare un rimedio per ogni problema. La sonda atmosferica aprì il paracadute circa un minuto dopo il previsto, con conseguente perdita limitata nella rilevazione dei dati nell'atmosfera superiore. Dopo vari controlli delle registrazioni, venne determinato che il problema era stato provocato probabilmente da un collegamento errato nel sistema di controllo del paracadute. L'apertura fu quindi da attribuire alla fortuna.