Juice: la Terra oggi, Giove domani

Lo scorso 28 settembre la missione Juice dell’Esa ha superato un’altra importante tappa nel suo viaggio verso Giove: la sua penultima manovra di fionda gravitazionale, realizzata attraverso un flyby della Terra. Sorvolo che non è stato solo un passaggio essenziale sulla rotta della sonda verso Giove, ma anche un’opportunità per mettere alla prova le osservazioni e le operazioni che caratterizzeranno l’esplorazione del sistema gioviano da parte di Juice.

Fin dal suo lancio, avvenuto il 14 aprile 2023, Juice si sta dirigendo verso Giove e le sue lune ghiacciate, dove arriverà nel 2031. Arrivarci è però tutt’altro che semplice. «Per andare direttamente su Giove, occorre raggiungere una certa velocità», spiega Arnaud Boutonnet, mission analyst di Juice per l’Esa. «Ecco perché sono necessarie le manovre di assist gravitazionale».

Percorso completo dello scorso flyby di Juice sulla Terra. Crediti: Esa

Queste manovre sfruttano la gravità di un pianeta per alterare la rotta e la velocità di un veicolo spaziale. Con la sua recente fionda gravitazionale offerta dalla Terra, Juice ha ora completato tre dei quattro flyby previsti. Dopo il sorvolo di Venere, Juice aveva una velocità sufficiente rispetto alla Terra, ma non procedeva ancora nella direzione giusta. Quest’ultimo flyby ha modificato la direzione della traiettoria della sonda di circa 20 gradi, orientandola verso Giove, in vista di un’ultima correzione che avverrà nel 2029, durante il suo ultimo sorvolo del nostro pianeta.

Ma la manovra dello scorso settembre non ha riguardato solo la navigazione. Ha anche offerto ai team della missione una preziosa opportunità per simulare le sfide operative e scientifiche che attendono Juice su Giove.

Prova generale nelle tenebre

Lo scorso 12 agosto, molti hanno assistito alla spettacolare eclissi solare totale che ha attraversato la Groenlandia, l’Islanda, la Spagna e parti del Portogallo. Per gli osservatori sulla Terra, la fase di totalità è durata poco più di due minuti. Anche le sonde spaziali affrontano le eclissi. Durante la sua manovra gravitazionale lunare-terrestre nel 2024, Juice ha sperimentato un’eclissi della durata di 32 minuti. Il suo recente flyby terrestre, tuttavia, ha battuto un nuovo record per la missione. Prima del massimo avvicinamento, infatti, Juice è scivolata nell’ombra della Terra, trascorrendo tre ore in completa oscurità (ombra totale o umbra) e sei ore in ombra parziale. Fatto ancora più importante, l’eclissi ha replicato in modo molto simile le condizioni che Juice incontrerà su Giove, offrendo al Flight Control Team una rara opportunità per testare le future strategie operative anni prima dell’arrivo.

«I flyby sono diventati abbastanza di routine per la missione, ma richiedono comunque un’enorme quantità di preparazione. Per questo ci siamo preparati per più di un anno», ricorda Angela Dietz, spacecraft operations manager di Juice.

L’eclissi ha trasformato questa preparazione in una prova generale per Giove.

Tre ore senza Sole: batterie alla prova del buio

Juice è alimentata da due grandi pannelli solari, che insieme formano una superficie di 85 metri quadrati. Si tratta di un’area pari a circa la metà di quella di un campo da pallavolo. Questi pannelli saranno essenziali su Giove, dove la luce solare ha un’intensità pari a solo il tre per cento di quella terrestre, e le eclissi possono durare fino a cinque ore.

«Questa è stata la nostra prima opportunità per testare in volo condizioni di eclissi prolungata», spiega Dietz.

Con mesi di anticipo, il Flight Control Team dell’Esoc (European Space Operations Centre) ha simulato scenari di eclissi e procedure di emergenza, mentre i team delle operazioni scientifiche dell’Esac (European Space and Astronomy Centre) hanno preparato gli strumenti per le attività di osservazione e calibrazione. La sera del 27 settembre, mentre Juice entrava nella penombra ,alle 21:30 ora italiana, gli operatori di volo dell’Esoc, man mano che la telemetria giungeva a terra attraverso l’antenna per lo spazio profondo di Cebreros Estrack dell’Esa, monitoravano il calo di potenza dei pannelli solari e il conseguente aumento dell’utilizzo delle batterie. Nel corso dell’eclissi, la carica delle batterie è scesa fino al 54 per cento. I pannelli solari hanno ripreso a generare energia alle 04:14 ora italiana. Con il limite operativo fissato al 35 per cento e il veicolo spaziale che si è comportato in modo nominale, il risultato ha superato le aspettative.

«I dati sull’energia che abbiamo ottenuto da questo flyby sono molto importanti, perché verranno utilizzati per le future simulazioni delle eclissi gioviane», spiega Paula Betriu, science operations engineer di Juice che lavora a Esac per Starion.

Ma l’eclissi è servita a molto di più che a verificare come mantenere in vita la sonda.

Scienza oltre la sopravvivenza

Su Giove, Juice dovrà continuare a fare scienza anche durante i lunghi periodi di oscurità.

«Inizialmente pensavamo che non avremmo avuto abbastanza energia per la strumentazione scientifica di bordo. Ma dopo aver approfondito la questione, ci siamo resi conto che potevamo mantenere attivi diversi strumenti e sfruttare appieno l’opportunità», dice Dietz.

I dieci strumenti scientifici hanno tutti contribuito alla campagna del flyby, seppur non tutti in funzione contemporaneamente durante l’eclissi.

«È stata una campagna impegnativa», dice Pilar Esquej, science operations engineer di Juice che lavora a Esac per Starion. «L’eclissi ha imposto vincoli rigorosi, quindi abbiamo dovuto stabilire le priorità delle osservazioni con estrema attenzione e trovare dei compromessi».

La Terra ripresa dalla fotocamera a guida italiana Janus

Durante la fase di assist gravitazionale, dal 27 settembre al 2 ottobre, la fotocamera scientifica ad alta risoluzione a bordo di Juice Janus, realizzata con il finanziamento dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), ha acquisito 740 immagini, utilizzando i diversi filtri dello strumento e a varie risoluzioni spaziali. Durante il sorvolo della Terra, dal limbo notturno a quello diurno, Janus ne ha osservato con continuità la superficie. In particolare, è stata ottenuta una lunga sequenza diurna attraverso l’Oceano Indiano occidentale, il Madagascar e l’Africa centrale, osservati con molteplici filtri. Prima e dopo l’arco di massima vicinanza, la sonda è stata puntata verso la Luna, consentendo a Janus di ottenere immagini del nostro satellite in fase quasi piena. Il 2 ottobre, prima di concludere la sequenza operativa, Janus ha osservato la Terra un’ultima volta.

Dettaglio di una sezione della fascia di osservazione che mostra l’intera larghezza dell’isola del Madagascar, con cumuli di bel tempo sopra la terraferma e le valli fluviali nella parte occidentale. L’area marina luminosa e color ocra su entrambi i lati è dovuta al riflesso della luce solare sulla superficie dell’acqua. Crediti: Esa/ Juice / Team Janus. Elaborazione: L. Penasa

«Uno dei possibili casi di studio», spiegano il principal investigator dello strumento, Pasquale Palumbo, e i membri del team scientifico Alice Lucchetti, Luca Penasa e Cecilia Tubiana, tutti dell’Inaf, «riguarda la vegetazione. I filtri Janus nel visibile e nel vicino infrarosso consentono, infatti, di misurare il forte contrasto esistente tra l’assorbimento della clorofilla nel rosso e l’elevata riflettanza della vegetazione nel vicino infrarosso. L’analisi dei dati permetterà di produrre, in via sperimentale, mappe di indici di vegetazione e confrontare regioni molto diverse tra loro, come Mauritius, Madagascar e diverse aree dell’Africa orientale e meridionale».

«Sarà possibile poi confrontare questi prodotti», continuano i quattro ricercatori dell’Inaf, «con osservazioni iperspettrali della Terra ottenute da missioni dedicate all’osservazione terrestre. In particolare, dati Prisma potranno essere utilizzati come riferimento per verificare quanto le informazioni contenute nei più larghi filtri Janus riescano a riprodurre la risposta spettrale osservata da uno spettrometro iperspettrale. Sono inoltre previste osservazioni EnMap di alcune regioni attraversate dalla geometria dell’assist gravitazionale, in particolare in Madagascar e nell’area di confine tra Congo e Zambia. Alcune di queste regioni includono aree minerarie ben caratterizzate e potranno quindi costituire casi di studio per confrontare tecniche di analisi dati applicate ai dati EnMap, alle immagini multispettrali Janus e, dove disponibile, alle osservazioni Majis».

Un’occasione per mettere alla prova il software di guida autonoma

L’eclissi ha anche fornito l’occasione per testare un altro sistema chiave necessario su Giove: il software Eagle (Enhanced Autonomous Guidance through Limb Extraction), un sistema di guida autonoma migliorata basato sul riconoscimento del bordo apparente dei corpi celesti.

Eagle utilizza le due telecamere di navigazione della sonda per migliorare la precisione di puntamento durante i sorvoli ravvicinati delle lune, tracciando il bordo illuminato – il cosiddetto lembo – di un satellite naturale e aiutando così Juice a determinare la sua posizione con maggiore precisione e a mantenere le osservazioni esattamente sul bersaglio.

Immagine della Luna ripresa dalla NavCam della sonda Juice durante il sorvolo della Terra. Crediti: Esa/Juice/Jmc

Per il suo primo esercizio in volo, la geometria Terra-Luna è stata sfruttata per replicare quella di Giove e Io, preparando Eagle ai futuri flyby delle lune galileiane. I risultati saranno analizzati nei prossimi mesi.

Nonostante le difficoltà che ha posto, l’eclissi si è rivelata per alcuni aspetti anche vantaggiosa. Attualmente Juice si trova in un ambiente di crociera “caldo”, in cui le temperature limitano le osservazioni. Avere il Sole temporaneamente bloccato dalla Terra ha consentito alla sonda una maggiore libertà di puntamento, permettendo osservazioni altrimenti impossibili.

Nel loro insieme, queste attività hanno reso il flyby molto di più di una semplice correzione di traiettoria. Hanno dato a Juice un primo assaggio delle sfide che la attendono del sistema gioviano e la possibilità di fare una prova generale con anni di anticipo.

Fonti: press release Esa, press release Dlr