(di Elisabetta Dotto e il LICIACube Team*)
Il nanosatellite LICIACube ha partecipato alla prima missione di difesa planetaria, testimoniando l’impatto della sonda Nasa Dart su Dimorphos, il piccolo satellite dell’asteroide binario Didymos.
Dimorphos, la luna di Didymos. Questa immagine è frutto della combinazione di più immagini full-frame ottenute dalla Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical Navigation (Draco) di Dart. Crediti: Nasa/Johns Hopkins Apl
Il 26 settembre 2022 Dart (Double Asteroid Redirection Test) ha portato a termine la prima missione di difesa planetaria, realizzando il primo esperimento di impattatore cinetico per deviare la traiettoria di un asteroide. Nelle vicinanze dell’orbita della Terra c’è infatti una popolazione di piccoli corpi, chiamati Neo (dall’inglese Near Earth Objects), che si ritiene sia composta da circa 25mila oggetti con diametro maggiore di 140 metri. Abbiamo informazioni sui più grandi di loro, ma a oggi conosciamo meno della metà degli oggetti stimati attorno ai 140 metri di diametro. Sebbene la probabilità di impatto con il nostro pianeta di uno di questi oggetti non sia elevatissima – statisticamente pari ad un evento ogni 25mila anni – la collisione potrebbe provocare un cratere di diametro fino a 2 chilometri con conseguente distruzione di un’area molto vasta, di superficie pari a una metropoli europea. È quindi di fondamentale importanza scoprire e conoscere nel dettaglio le proprietà fisiche dei Neo di queste dimensioni. Per tale ragione, negli ultimi decenni agenzie spaziali e organi nazionali e internazionali (tra cui Esa, Nasa, Ue) hanno investito risorse nella “difesa planetaria”, sia per le osservazioni da Terra, dedicate alla scoperta e allo studio dei Neo che possono costituire un pericolo per il nostro pianeta, sia per la messa a punto di tecniche in grado di mitigare gli effetti di un possibile impatto. Sulla base delle attuali conoscenze, si valuta che la tecnica più efficace nel caso la Terra stia per essere colpita da un corpo di circa 100 metri di diametro, scoperto con qualche anno di anticipo rispetto alla possibile collisione, sia quella dell’impatto cinetico, vale a dire lo schianto di una sonda spaziale sulla superficie dell’asteroide, con l’intento di modificarne l’orbita e scongiurarne la collisione con il nostro pianeta.
La tecnica dell’impattatore cinetico
Le ultime due immagini raccolte da DART prima dell’impatto con l’asteroide Dimorphos. Lo schianto si è verificato durante la trasmissione a Terra della seconda immagine, che risulta così del tutto parziale. Crediti: Nasa/Johns Hopkins Apl
In Europa nel 2005 Andrea Milani, dell’Università di Pisa, ideò la missione Don Quijote, di dimostrazione tecnologica per l’Esa, per modificare l’orbita di un asteroide mediante l’impatto di una sonda spaziale, mentre una seconda sonda acquisiva immagini scientifiche in situ. Nel 2010, la statunitense National Academy of Sciences pubblicò un report in cui individuò in un test sperimentale di impattatore cinetico la priorità per una missione spaziale di mitigazione.
Da tutto questo ha preso le mosse la collaborazione internazionale Aida (Asteroid Impact and Deflection Assessment) alla quale la Nasa ha contribuito con la missione Dart, che ha effettuato l’impatto nel settembre del 2022, mentre per il monitoraggio degli effetti prodotti Esa lancerà il prossimo ottobre la missione Hera, che raggiungerà lo stesso target nel 2026.
Trattandosi del primo test a scala reale, si è scelto un obiettivo “sicuro”, con il quale fosse anche semplice verificare l’efficacia della tecnica utilizzata. Non è stato quindi selezionato un Neo in orbita attorno al Sole, ma il piccolo satellite di un asteroide binario. La scelta è caduta su Dimorphos, un piccolo corpo di circa 160 metri di diametro che orbita a una distanza di poco più di 1 chilometro attorno ad un Neo più grande, chiamato Didymos, delle dimensioni di circa 780 metri.
Per testimoniare l’impatto, Dart ha portato con sé LICIACube, un nanosatellite tutto italiano che ha avuto il compito di osservare l’evento e acquisire a distanza ravvicinata immagini degli effetti prodotti.
Le due camere di LICIACube
L’impatto della sonda Nasa DART sull’asteroide Dimorphos visto da LICIACube. L’immagine è stata poi elaborata con diversi livelli di contrasto per evidenziare la struttura dei pennacchi di materiale espulso. Crediti: Asi/Nasa/Johns Hopkins Apl/S. Schmauß
LICIACube è stato sviluppato e gestito dall’Asi, costruito da Argotec, con un team scientifico coordinato dall’Inaf e comprendente il Politecnico di Milano, le Università di Bologna e Parthenope di Napoli, e l’Ifac-Cnr. È un nanosatellite della classe dei cubesat (satelliti così chiamati perché composti da unità di base di forma cubica di circa 10 cm di lato), composto da 6 unità, di dimensioni complessive di circa 10x20x30 cm e peso pari a circa 13 kg. Nonostante le ridotte dimensioni, LICIACube è stato equipaggiato con due diverse camere, chiamate Liciacube Explorer Imaging for Asteroid (Leia) e Liciacube Unit Key Explorer (Luke). Leia ha avuto una doppia funzionalità: ha gestito le operazioni e i puntamenti del cubesat, acquisendo a intervalli regolari delle immagini ed elaborandole a bordo, con tecniche di Intelligenza Artificiale, per mantenere il puntamento del target; ha acquisito immagini a partire da 45 secondi prima dell’impatto nominale, per testimoniare l’evento e seguire l’evoluzione degli effetti da esso prodotti. Luke invece è una camera a grande campo (circa 10°) equipaggiata con un mosaico di filtri rossi, verdi e blu (filtri colorati a matrice di Bayer). I singoli colori vengono acquisiti contemporaneamente secondo un mosaico predeterminato di filtri sul rivelatore, e l’immagine finale è ottenuta ricomponendo il mosaico.
Gli obiettivi scientifici
Gli obiettivi scientifici del satellite italiano sono stati i seguenti: testimoniare l’impatto di Dart; acquisire immagini della “plume” di materiale espulso dalla superficie di Dimorphos, in modo da studiarne la struttura e stimare le velocità delle particelle eiettate; acquisire immagini della superficie di Dimorphos per studiare, eventualmente, il cratere prodotto dall’impatto; acquisire immagini dell’emisfero non impattato di Dimorphos per contribuire alla determinazione della forma e del volume. Queste informazioni sono infatti fondamentali per determinare l’impulso rilasciato dalla sonda impattante e studiare la struttura di Dimorphos, ottenendo per la prima volta una stima diretta della densità del corpo secondario di un asteroide binario.
Il racconto dell’impresa
Dart è stato lanciato il 24 novembre 2021 e ha portato LICIACube a bordo con sé per i 10 mesi e mezzo di crociera, fino all’arrivo al sistema Didymos-Dimorphos. L’11 settembre 2022, 15 giorni prima dell’impatto, LICIACube è stato rilasciato, ha aperto i suoi pannelli solari e ha iniziato la fase di avvicinamento al target. In questa fase operativa, da una distanza di circa 10,5 milioni di chilometri dalla Terra, ha stabilito connessioni con le antenne del Deep Space Network (Dsn) per effettuare manovre correttive e ha acquisito immagini di stelle e pianeti per la calibrazione dei suoi strumenti.
L’impatto di Dart su Dimorphos è avvenuto il 26 settembre 2022 alle ore 23:14 UTC (il 27 settembre 2022 alle 1:14, ora italiana) e le immagini acquisite dalla camera Draco a bordo di Dart nelle fasi di avvicinamento al target, trasmesse in diretta streaming, hanno costituito una novità assoluta nel panorama della divulgazione di imprese spaziali. Nella figura 1 sono mostrate le ultime immagini acquisite da Draco prima dell’impatto, che mostrano una superficie piena di massi di varie dimensioni.
L’evento è stato seguito anche da una fitta rete di telescopi spaziali e a terra che, acquisendo per mesi immagini a grande distanza, hanno mostrato la formazione e l’evoluzione a lungo termine delle strutture prodotte dal materiale espulso, hanno consentito la stima della quantità di massa perduta da Dimorphos a causa dell’impatto – pari allo 0,3-0,5% della massa originaria – e hanno permesso di misurare la variazione di 32 minuti del periodo orbitale di Dimorphos attorno a Didymos – passato da 11 ore e 55 minuti a 11 ore e 23 minuti.
La testimonianza dell’impatto
LICIACube invece, che al momento dell’impatto si trovava a una distanza di circa 1000 chilometri dal sistema Didymos-Dimorphos, ha fornito la visione eccezionale in situ dei primi istanti di formazione e di evoluzione del cono di polveri prodotto dall’impatto. Leia ha testimoniato il momento dell’impatto rilevando la differenza di luminosità di Dimorphos: nelle immagini precedenti all’evento si vede infatti chiaramente solo Didymos, mentre nelle immagini immediatamente successive all’impatto appare anche chiaramente Dimorphos, la cui luminosità è temporaneamente aumentata. Luke ha invece iniziato ad acquisire immagini 29 secondi dopo l’impatto.
LICIACube ha sorvolato l’asteroide alla stessa velocità con cui Dart ha impattato, cioè a 6,1 km/s (22000 km/h), ha raggiunto la minima distanza dal target, pari a circa 58 km, 168 secondi dopo l’impatto, e ha osservato gli effetti prodotti fino a 320 secondi dopo il tempo nominale di impatto, acquisendo più di 420 immagini.
I dati ottenuti da LICIACube in fase di avvicinamento hanno mostrato un largo cono di detriti, con una struttura complessa e disomogenea, che ha completamente coperto la superficie di Dimorphos, rendendo impossibile la visione del cratere prodotto dall’impatto (figura. 2). All’interno del cono di materiale espulso sono visibili strutture particolari: filamenti non rettilinei disposti a raggiera, granelli di polvere e massi singoli o raggruppati. Le immagini ottenute in fase di allontanamento hanno permesso di misurare l’apertura del cono (figura 3). I dati LICIACube sono stati inoltre fondamentali per ottenere una stima quantitativa dell’impulso rilasciato dall’impatto e per risalire alla struttura di Dimorphos che è risultato essere un corpo poco coeso (rubble pile). Dall’analisi del materiale sollevato, appare possibile che l’impatto abbia modificato la forma di Dimorphos, rendendola più allungata.
Il primato di LICIACube
Illustrazione della sonda Nasa Dart e del cubesat Asi LICIACube nello spazio del sistema binario Didymos. Crediti: Nasa/Johns Hopkins Apl/S. Gribben
I dati acquisiti sono attualmente ancora in fase di analisi, ma è evidente che LICIACube abbia costituito un primato assoluto nel panorama internazionale delle missioni spaziali nella sua classe di dimensioni. Sono infatti diversi i record stabiliti: i) è stata la prima missione Asi nello spazio profondo; è stata la prima volta in cui l’Italia ha partecipato, insieme alle antenne del Dsn, alle attività di ground segment con due centri, il Mission Control Center presso Argotec a Torino e il Science Control Center presso lo Space Science Data Center (Ssdc) di Asi a Roma; è stato il primo cubesat che nello spazio profondo abbia realizzato il flyby di un asteroide (ad una velocità di 6.1 km/s), acquisendo immagini e scaricandole a Terra. Il fatto che LICIACube abbia pienamente raggiunto i suoi obiettivi scientifici costituisce anche una pietra miliare nello studio degli asteroidi, avendo mostrato per la prima volta un asteroide binario. La missione ha inoltre dimostrato l’immenso potenziale dei nanosatelliti e aperto la strada al loro utilizzo nello studio dello spazio profondo nel prossimo futuro.
Per quanto riguarda la difesa planetaria, ovviamente un singolo esperimento non ci permette di predire accuratamente il risultato di un impatto su un asteroide completamente diverso e con un diverso spacecraft, ma è certo che ora siamo più pronti di quanto non fossimo in passato, avendo verificato che la tecnica dell’impattatore cinetico funziona anche nel caso di un asteroide estremamente poroso.
*La lista di autori di questo articolo include il Team LICIACube (www.ssdc.asi.it/liciacube/lcc_team.php).
Questa attività è stata condotta grazie al supporto finanziario dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI, contratto No. 2019-31-HH.0 CUP F84I190012600).