JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) è una missione spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) che si concentrerà sull’esplorazione di Giove e delle sue tre lune ghiacciate Ganimede, Callisto ed Europa.

Il lancio della sonda è attualmente previsto per il 13 aprile a bordo del razzo Ariane V dallo Spazioporto Europeo di Kourou, in Guyana Francese. Il giorno del lancio seguiremo la partenza di questa storica missione in live, a partire dalle 13:00 sui canali di Astrospace.it:

Il viaggio verso il sistema gioviano durerà circa 8 anni, durante i quali JUICE sfrutterà gli assist gravitazionali della Terra, della Luna, del sistema Terra-Luna e di Venere.

Una volta arrivato a destinazione, per 3 anni circa studierà il gigante gassoso più grande del Sistema Solare e le sue lune, orbitando prima attorno a Giove e poi attorno a Ganimede. In quell’occasione, JUICE diverrà la prima sonda artificiale ad aver orbitato attorno alla luna di un pianeta del Sistema Solare.

JUICE sarà anche un’importante missione tecnologica: testerà nuove tecnologie per le missioni spaziali future. Grazie ai dati raccolti, JUICE fornirà importanti informazioni sul Sistema Solare esterno e ci aiuterà a capire meglio le origini della vita sulla Terra.

In questo approfondimento, scritto da Mariasole Maglione, seguiamo uno alla volta i vari passaggi della missione, sia ingegneristici che scientifici, nella loro interezza.

La missione
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La missione è iniziata come una riformulazione della proposta Jupiter Ganymede Orbiter. Questo orbiter doveva essere il contributo dell’ESA della missione congiunta NASA/ESA Europa Jupiter System – Laplace (EJSM-Laplace), successivamente cancellata.

JUICE è diventata candidata per la prima missione di classe L (L1) del programma Cosmic Vision dell’ESA; la sua selezione è stata annunciata il 2 maggio 2012. La missione sarà gestita dal segmento di terra dell’ESA costituito dal Mission Operations Center (MOC) e dal Science Operations Center (SOC).

Il veicolo

Il veicolo spaziale per la missione JUICE è stato progettato considerando i principali fattori che caratterizzano il Sistema Solare esterno: la grande distanza dal Sole, l’esposizione alle radiazioni e la necessità di generare energia elettrica.

Innanzitutto, la navicella deve trasportare circa 3000 kg di propellente chimico. Inoltre, la grande distanza dalla Terra comporta un tempo di andata e ritorno del segnale di oltre un’ora e quarantasei minuti. Ciò richiede un’attenta pianificazione preliminare e un’attuazione autonoma delle operazioni da parte del veicolo spaziale. Per consentire un downlink giornaliero di almeno 1,4 GB, l’antenna ad alto guadagno del veicolo spaziale ha un diametro di circa 3 metri.

Per garantire la protezione dell’elettronica di bordo dalle radiazioni, la sistemazione del carico utile tiene conto della necessità di schermatura, in linea con i requisiti dei singoli strumenti. Infatti, la missione JUICE si concentra su Ganimede e Callisto, con solo due passaggi ravvicinati di Europa. Ciò significa che la navicella rimane al di fuori delle principali fasce di radiazioni di Giove per la maggior parte delle operazioni. Pertanto, la schermatura può essere utilizzata come protezione primaria per l’elettronica di bordo.

L’utilizzo della generazione di energia elettrica combinato con la grande distanza dal Sole, che rende la luce solare ben 25 volte più debole che sulla Terra, richiede pannelli solari di grandi dimensioni. Essi hanno infatti un’area di 85 m2, per raccogliere molta luce. E poiché le radiazioni presenti sono dominate dagli elettroni, i pannelli solari sono progettati per fornire energia elettrica, con celle solari ottimizzate per condizioni di bassa intensità e bassa temperatura.

Proprio per arginare il problema delle temperature rigide sofferte da JUICE, che vanno dai +250°C durante la fionda gravitazionale di Venere ai -230°C di Giove, si è optato per una coperta di nuovo isolamento multistrato (MLI) per mantenere stabile la temperatura interna.

Il braccio MAG

Il veicolo di JUICE è dotato di un braccio magnetometrico, detto MAG, un lungo magnetometro che sporgerà lontano dal corpo principale della sonda consentendogli di effettuare misurazioni al riparo da qualsiasi interferenza magnetica. Il suo obiettivo è misurare il campo magnetico di Giove, la sua interazione con il campo magnetico interno di Ganimede e studiare gli oceani sotterranei delle lune ghiacciate.

Durante i test effettuati nel 2019 con il prototipo della sonda, il dispiegamento di questo braccio è stato eseguito prima e dopo la vibrazione di lancio simulata sui tavoli agitatori del Test Center per garantire che si dispiegasse correttamente nello spazio. Poiché MAG si dispiegherà in assenza di gravità, sono stati utilizzati tre palloncini di elio per aiutare a sopportare il suo peso nella gravità terrestre.

Il carico utile

JUICE sarà in grado di trasportare il più avanzato carico utile mai lanciato nel Sistema Solare esterno. Composto da 10 strumenti e da un esperimento che sfrutta il sistema di telecomunicazione del veicolo spaziale con gli strumenti a Terra.

Grazie alle misurazioni in situ dell’atmosfera di Giove e del suo campo magnetico, e alle osservazioni a distanza della superficie e dell’interno delle tre lune ghiacciate, Ganimede, Europa e Callisto, sarà possibile ottenere una vasta gamma di dati e informazioni di grande importanza scientifica. Sono parte del carico utile:

• Il pacchetto di telerilevamento. Include funzionalità di imaging e di imaging spettrale dall’ultravioletto alle lunghezze d’onda submillimetriche.
• Il pacchetto geofisico. Costituito da un altimetro laser e da un radar per l’esplorazione della superficie e del sottosuolo delle lune, oltre che da uno strumento radio per sondare le atmosfere di Giove e dei suoi satelliti e per effettuare misurazioni di campi gravitazionali.
• Il pacchetto in situ. Comprende uno strumento per studiare l’ambiente particellare, un magnetometro e uno strumento per onde radio e plasma, inclusi sensori di campi elettrici e una sonda Langmuir. Un esperimento che utilizza l’interferometria a base molto lunga da terra fornirà invece una determinazione precisa della posizione e della velocità della sonda.

Il lancio

JUICE sarà lanciata il 13 aprile 2023 alle 14:15 italiane su un razzo Ariane 5, dallo Spazioporto Europeo di Kourou in Guyana Francese. Si tratta di un sito di lancio ideale, perché la velocità di rotazione della Terra vicino all’equatore da al razzo una spinta in più durante il lancio, il mare aperto a nord e ad est assicura la massima sicurezza di lancio e non vi è alcun rischio di cicloni o terremoti. Qui sono stati avvenuti oltre 250 lanci di Ariane.

Il volo ha denominazione VA260 e il lanciatore porterà un peso totale pari a 6058 kg. La durata nominale della missione, dal liftoff alla separazione del satellite, è di 27 minuti e 45 secondi. Questo volo sarà la prima missione europea verso Giove e le sue lune ghiacciate, e la trentesima missione scientifica operata da Arianespace. Nella gif seguente, realizzata da Andrea Novelli, è rappresentata la prima parte del viaggio di JUICE.

#MissionJUICE will have a pretty intense inner-solar system cruise with 4 flybys in 6 years, Earth-Venus-Earth-Earth. Actually, in Aug 24 the first Moon-Earth flyby in history will happen! Juice will at first encounter the Moon, then Earth 1.5 days. pic.twitter.com/ZxfDqEHVZb

— Andrea Novelli (@andre9lli) April 6, 2023

 

Le operazioni di missione

Una volta nello spazio, JUICE e utilizzerà gli assist gravitazionali di Venere e Terra durante il suo viaggio di 7,6 anni verso Giove. In particolare, il sorvolo di Juice del sistema Terra-Luna, noto come LEGA (Lunar-Earth Gravity Assist), è una novità. Eseguendo questa manovra, che consiste in un sorvolo di assist gravitazionale della Luna seguito solo 1,5 giorni dopo da uno della Terra, JUICE essere in grado di risparmiare una notevole quantità di propellente durante il suo viaggio.

JUICE inizierà la sua missione scientifica circa sei mesi prima di entrare in orbita attorno a Giove, effettuando osservazioni mentre si avvicina alla sua destinazione.

Dopo l’inserimento in orbita, la sonda effettuerà un tour di 2,5 anni nel sistema gioviano concentrandosi sulle continue osservazioni dell’atmosfera e della magnetosfera di Giove, eseguendo un totale di 35 sorvoli delle lune ghiacciate. Sono inclusi due sorvoli mirati di Europa (luglio 2032), incentrati sulla composizione del materiale non ghiacciato e il primo suono sotterraneo di una luna ghiacciata.

Una sequenza di passaggi ravvicinati di Callisto cambierà anche l’angolo dell’orbita di JUICE rispetto all’equatore di Giove di quasi 30°, rendendo possibile indagare le regioni polari e l’ambiente di Giove a latitudini più elevate (tra il 2032 e il 2034). I frequenti passaggi ravvicinati di Callisto consentiranno osservazioni remote uniche della luna e misurazioni in situ nelle sue vicinanze.

Successivamente, più sorvoli consecutivi di Ganimede e Callisto regoleranno l’orbita di JUICE, orientandola correttamente per ridurre al minimo la quantità di propellente consumato, in modo che possa entrare in orbita attorno a Ganimede nel dicembre 2034. L’orbita ellittica iniziale di JUICE sarà seguita da un’orbita circolare a 5000 km di altitudine e successivamente da un’orbita circolare a 500 km di altitudine.

La durata totale della missione è approssimativamente di 11 anni, di cui circa 3,5 anni nel sistema di Giove. La missione nominale terminerà con un impatto radente sulla superficie di Ganimede a fine 2035.

Fasi scientifiche

La strumentazione
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La camera JANUS

Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator (JANUS) è uno strumento dotato di fotocamera ottica con un campo visivo di 1.2 gradi e una risoluzione spaziale fino a 2.4 metri su Ganimede e circa 10 km su Giove. È equipaggiata con un sistema di 13 filtri (5 a banda larga e 8 a banda stretta) distribuiti nell’intervallo spettrale dal visibile al vicino infrarosso (0.34 – 1.08 micron).

JANUS studierà la morfologia e i processi globali, regionali e locali sulle lune ghiacciate, ed eseguirà la mappatura delle nuvole di Giove. Permetterà l’acquisizione di immagini multispettrali ad una risoluzione e con un’estensione 50 volte migliore che in passato, garantendo notevoli passi in avanti nella conoscenza di questi mondi esotici.

Lo strumento è stato realizzato da Leonardo, sotto la responsabilità dell’ASI e con la guida scientifica dell’Università Parthenope di Napoli e dell’INAF e con il contributo di sottosistemi dal DLR di Berlino, CSIC-IAA di Granada e CEI-Open University di Milton Keynes.

Lo spettrometro MAJIS

Il Moons and Jupiter Imaging Spectrometer (MAJIS) è uno spettrometro a due canali per l’osservazione delle caratteristiche delle nubi di Giove. Verrà usato anche per la caratterizzazione di ghiacci e minerali sulle superfici delle lune ghiacciate.

MAJIS coprirà le lunghezze d’onda del visibile e dell’infrarosso da 0.4 a 5.7 micron, con una risoluzione spettrale di 3-7 nm. La risoluzione spaziale sarà invece fino a 25 metri su Ganimede e circa 100 km su Giove. Lo strumento comprende tre sottosistemi separati:

1. La testa ottica (OH, Optical Head) che comprende il telescopio, gli spettrometri nel visibile e nel vicino infrarosso (VIS-NIR) e infrarosso (IR), i rivelatori Focal Plane Array (FPA) e la loro elettronica FPE per ciascun canale. È poi presente un sottogruppo, di produzione ASI, comprendente lo scanner ausiliario, il sistema di calibrazione e di shutter.
2. L’unità elettronica principale (ME, Main Electronis unit), che controlla i due rivelatori VIS-NIR e IR, fornisce l’alimentazione, controlla lo strumento, esegue l’elaborazione dei dati e fornisce il collegamento al veicolo spaziale.
3. Il cablaggio (Harness) che connette l’OH al banco ottico di JUICE con il ME integrato e assicura la distribuzione dell’energia, la raccolta di dati scientifici e fornisce il collegamento per le comunicazioni.

La leadership di MAJIS è francese, realizzata con un accordo bilaterale tra ASI e CNES. Leonardo ha realizzato il cuore dello strumento, cioè lo spettrometro. Questo sarà il principale strumento dell’intera missione, in grado di determinare la composizione delle superfici osservate. MAJIS studierà inoltre la distribuzione verticale di acqua e ammoniaca, ovvero i maggiori contributori di ossigeno e azoto alla chimica atmosferica.

Lo spettrografo UVS

L’Ultra Violet Spectrograph (UVS) è il primo strumento che è stato integrato sul veicolo JUICE. Lo spettrografo sarà utilizzato per caratterizzare la composizione e la dinamica delle esosfere delle lune ghiacciate, per studiare le aurore gioviane e per indagare la composizione e la struttura dell’atmosfera superiore.

Con UVS otterremo viste ravvicinate di Europa, Ganimede e Callisto, che si pensa ospitino tutti gli oceani sotterranei sotto le loro superfici ghiacciate. Registrando la luce ultravioletta emessa, trasmessa e riflessa dalle lune, lo strumento rivelerà la composizione delle loro superfici e atmosfere e consentirà di indagare su come questi corpi ghiacciati interagiscono con Giove e la sua gigantesca magnetosfera.

UVS coprirà l’intervallo di lunghezze d’onda 55-210 nm con una risoluzione spettrale di <0.6 nm. La risoluzione spaziale raggiungerà 0.5 km su Ganimede e fino a 250 km su Giove. Lo strumento è stato costruito dalla NASA, guidato dal Southwest Research Institute con la collaborazione di diverse università americane.

Lo strumento SWI

Il Submillimeter Wave Instrument (SWI) studierà le lune galileiane, la chimica, la meteorologia e la struttura dell’atmosfera media di Giove, nonché i processi di accoppiamento atmosferico e magnetosferico tra il pianeta e le lune.

SWI fornirà dati di follow-up per ulteriori indagini sull’abitabilità delle lune galileiane. Lavorerà nelle lunghezze d’onda intorno a 520 µm (530 GHz – 625 GHz) e 250 µm (1080 – 1275 GHz) con una risoluzione spettrale di 10^7. Consiste in un’eterodina che utilizza un’antenna di 30 cm. È stata finanziata dal DRL e costruita in Germania.

Tra gli obiettivi, c’è quello di eseguire una caratterizzazione dettagliata della dinamica e della composizione della stratosfera di Giove, così come delle atmosfere sottili delle lune galileiane. Ma anche indagare sull’origine e l’evoluzione dell’intero sistema di Giove, misurare le caratteristiche della superficie e del sottosuolo delle lune ghiacciate e la loro composizione. E infine, determinare la composizione molecolare dei pennacchi causati dall’attività criovulcanica recentemente osservata su Europa.

L’altimetro GALA

Il GAnymede Laser Altimeter (GALA) è un altimetro laser a singolo raggio e a singolo rivelatore, concepito per studiare la deformazione mareale di Ganimede e la morfologia e topografia delle superfici delle lune ghiacciate. I suoi principali obiettivi scientifici sono comprendere la tettonica del ghiaccio basata su dati topografici, e la struttura del sottosuolo. Dal punto di vista dell’astrobiologia, sarà imperativo studiare l’oceano sotterraneo.

GALA è uno strumento di rilevamento simile ai BELA e LIDAR montati sulle sonde giapponesi Hayabusa1 e Hayabusa2, che emette impulsi laser verso il bersaglio e misura il tempo e la distanza di andata e ritorno per ciascun impulso. Questi strumenti comprendono un modulo di testa laser, un collimatore laser, un telescopio ricevente per gli impulsi di ritorno, un rivelatore e un’elettronica per il rilevamento degli impulsi di ritorno e l’elaborazione dei dati, rispettivamente. La precisione della distanza raggiunta è determinata dalla precisione della temporizzazione degli impulsi restituiti. La risoluzione topografica è determinata dalla frequenza di ripetizione dell’emissione laser pulsata.

Lo sviluppo di GALA è proseguito attraverso una collaborazione internazionale tra Germania (capofila), Giappone, Svizzera e Spagna. GALA avrà una risoluzione verticale da 0.1 m a 200 km.

Il radar RIME

Il Radar for Icy Moons Explorations (RIME) è un radar a penetrazione di ghiaccio, ideato per studiare la struttura del sottosuolo delle lune ghiacciate fino a 9 km di profondità con una risoluzione verticale fino a 30 m nel ghiaccio. RIME lavorerà a una frequenza centrale di 9 MHz (larghezza di banda di 1 e 3 MHz) e utilizzerà un’antenna di 16 metri.

Una volta nello spazio, le prestazioni di RIME saranno influenzate da diversi fattori, tra cui le grandi dimensioni del veicolo spaziale stesso, l’orientamento dell’array solare e il magnetometro.

Sono stati eseguiti diversi test sull’antenna, per diversi orientamenti dei pannelli solari, con l’obiettivo di raccogliere una serie di dati che possono essere confrontati con i risultati ottenuti attraverso le simulazioni e quindi convalidare l’approccio di progettazione e verifica.

Il principale istituto di ricerca di RIME è l’Università degli Studi di Trento.

Il magnetometro JMAG

Il Jupiter MAGnetometer (JMAG) è un magnetometro per caratterizzare il campo magnetico gioviano, la sua interazione con il campo magnetico interno di Ganimede e per studiare gli oceani sotterranei delle lune ghiacciate.

Lo strumento si basa su tre sensori (due magnetometri fluxgate e un magnetometro scalare) montati sul braccio MAG. Questi sensori misureranno il vettore e l’ampiezza del campo magnetico in corrente continua (DC) nelle vicinanze del veicolo spaziale. Il finanziatore principale di JMAG è la UKSA, l’agenzia spaziale del Regno Unito.

Il pacchetto PEP

Il Particle Environment Package (PEP) è uno strumento contenente sensori utili a caratterizzare l’ambiente di plasma (gas caldo ionizzato) nel sistema gioviano.

PEP misurerà la densità e i flussi di ioni positivi e negativi, elettroni, gas neutro esosferico, plasma termico e atomi neutri energetici nell’intervallo di energia da <0.001 eV a >1 MeV con una copertura angolare completa. La composizione delle esosfere delle lune sarà misurata con un potere di risoluzione superiore a 1000. Il finanziatore principale è la Swedish National Space Board (SNSB) svedese.

Lo strumento RPWI

Il Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI) è uno strumento in grado di catturare le onde di plasma nella lunghezza d’onda radio, per caratterizzare l’emissione radio e l’ambiente di plasma di Giove e delle sue lune.

RPWI si baserà su quattro esperimenti, GANDALF, MIME, FRODO e JENRAGE. Utilizzerà una serie di sensori, tra cui due sonde Langmuir per misurare i vettori di campo elettrico in corrente continua fino a una frequenza di 1.6 MHz e per caratterizzare il plasma termico e i ricevitori a media e alta frequenza, e antenne per misurare i campi elettrici e magnetici nell’emissione radio nell’intervallo di frequenza 80 kHz-45 MHz. Si spera che RPWI aiuti a mappare eventuali correnti oceaniche sotto le croste ghiacciate delle lune.

Il finanziatore principale anche in questo caso è la SNSB svedese.

Il pacchetto radio 3GM

Il Gravity & Geophysics of Jupiter and Galileian Moons (3GM) è un pacchetto radio-scientifico comprendente KaT (Ka Transponder), USO (UltraStable Oscillator) e HAA (High Accuracy Accelerometer).

Il 3GM sarà utilizzato per studiare il campo gravitazionale di Ganimede e l’estensione degli oceani interni su tutte e tre le lune ghiacciate, nonché per indagare la struttura delle atmosfere neutre e delle ionosfere di Giove (tra 0.1 e 800 mbar).

L’esperimento sfrutterà accurate misurazioni Doppler per determinare l’orbita delle lune, il campo gravitazionale e la deformazione mareale. I vincoli derivati ​​dalle misurazioni della gravità possono poi essere utilizzati per sviluppare modelli interni delle lune.

L’esperimento PRIDE

Il Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment (PRIDE) utilizzerà il sistema di telecomunicazione standard della sonda JUICE e l’interferometria VLBI (Very Long Baseline Interferometry) per eseguire misure precise della posizione e della velocità della sonda e studiare i campi gravitazionali di Giove e delle lune ghiacciate.

Le capacità di PRIDE possono essere utilizzate per una serie di applicazioni scientifiche, tra cui il miglioramento delle effemeridi, la meccanica celeste ultraprecisa per il Sistema Solare, la gravimetria, la determinazione dell’orbita dei veicoli spaziali e la fisica fondamentale.

Queste applicazioni scientifiche si basano su due grandezze osservabili: lo spostamento Doppler del segnale portante del sistema di comunicazione di servizio e la posizione celeste laterale (trasversale) rispetto al quadro di riferimento celeste internazionale (ICRF).

Obiettivi scientifici
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Ganimede

Ganimede è il principale obiettivo scientifico della missione. Con un diametro di circa 5260 km, più grande di quello di Plutone e Mercurio, Ganimede orbita attorno a Giove a una distanza di oltre 1 milione di chilometri ed è l’unica luna del Sistema Solare dotata di un proprio campo magnetico.

Le misurazioni di questo campo magnetico da parte della sonda Galileo della NASA, oltre che le recenti osservazioni di Hubble delle aurore sulla luna, hanno fornito prove dirette che potrebbe esserci un oceano sotterraneo di acqua salata, che a differenza del ghiaccio è un buon conduttore di elettricità.

L’oceano di Ganimede potrebbe contenere più acqua di tutte le acque superficiali sulla Terra messe insieme. Tuttavia, non sappiamo ancora a quale profondità inizi, fino a che punto si estenda e come interagisca sia con le profondità di Ganimede che con la crosta ghiacciata. Scoprire di più su questo strato liquido, inclusa la sua composizione e conduttività, è uno degli obiettivi principali di JUICE, poiché l’oceano potrebbe essere abitabile.

Gli strumenti della missione, inoltre, effettueranno misurazioni dettagliate del campo magnetico di Ganimede e determineranno le correnti elettriche sulla luna per limitare l’estensione e la conduttività del suo oceano sotterraneo.

I dati della sonda Galileo sul campo magnetico di Ganimede inoltre, indicano l’esistenza di un nucleo liquido ricco di ferro. JUICE rivelerà di più sullo spessore dei vari strati all’interno della luna e sulla loro composizione. Questo migliorerà la nostra comprensione di come la luna si è evoluta e di come è stata in grado di acquisire la sua struttura. Le misurazioni di JUICE ci aiuteranno anche a scoprire di più su come il nucleo di Ganimede è in grado di generare e mantenere un campo magnetico.

Un altro degli obiettivi della missione è esplorare e caratterizzare la crosta ghiacciata, un’impresa scientifica completamente nuova. La missione utilizzerà il radar RIME per sondare il sottosuolo della luna, fino a una profondità di circa 9 km. L’obiettivo è determinare lo spessore minimo della crosta, possibilmente rilevare l’acqua liquida nel sottosuolo poco profondo, ed esplorare le caratteristiche tettoniche e l’evoluzione geologica della luna.

Oltre agli studi del sottosuolo, la missione esplorerà la parte superiore del guscio ghiacciato. La superficie di Ganimede ha regioni molto antiche, scure e densamente craterizzate (come Callisto), così come regioni più chiare, giovani e scanalate (simili a Europa). JUICE combinerà l’imaging e l’altimetria laser per studiare la superficie della luna e determinare i processi geologici che hanno contribuito a modellarla.

Infine, poiché la magnetosfera in miniatura di Ganimede si trova all’interno della magnetosfera molto più grande di Giove, tra i due avvengono complesse interazioni. JUICE mira a studiare queste interazioni in dettaglio. Ciò include esaminare come le particelle nell’ambiente spaziale vicino a Ganimede influenzano la composizione della superficie lunare, come si sviluppano le aurore sul satellite e come il campo magnetico di Ganimede influenza le aurore su Giove. Per fare questo, alcuni strumenti della missione misureranno il campo magnetico della luna, sia la sua componente intrinseca che quella indotta da Giove.

Callisto

Callisto è l’oggetto più pesantemente craterizzato di tutto il Sistema Solare. La luna è ricoperta quasi uniformemente da crateri sulla sua superficie, prova di innumerevoli collisioni. È composta da parti uguali di roccia e ghiaccio. Si pensa che le parti più luminose della superficie di Callisto siano principalmente ghiaccio d’acqua, mentre le macchie più scure sono regioni di materiale roccioso altamente eroso e povero di ghiaccio.

Callisto ha all’incirca le stesse dimensioni del pianeta Mercurio, ma solo circa un terzo della massa. È il più esterno dei quattro grandi satelliti galileiani di Giove, e orbita a quasi 2 milioni di chilometri dal centro del pianeta. Questa grande distanza, che rende Callisto relativamente isolato dagli altri satelliti galileiani, implica che il riscaldamento delle maree sulla luna non è significativo. Ciò lo rende geologicamente molto più stabile delle sue compagne. Inoltre, lo sottopone a livelli molto minori di radiazione e a una minor influenza della magnetosfera gioviana.

JUICE sorvolerà Callisto 12 volte, ad altitudini comprese tra 400 km e 200 km al massimo avvicinamento.

Callisto ha un paesaggio antico e fortemente marcato, con caratteristiche di impatto che coprono l’intera superficie della luna e con morfologie che mostrano segni di intensa erosione. La mancanza di riaffioramento o altri segni di attività geologica sulla superficie lunare indicano che Callisto è un mondo morto da tempo, un residuo del primo sistema gioviano. In quanto tale, può fornire agli scienziati una finestra unica per esplorare le prime fasi della formazione delle lune galileiane.

JUICE esaminerà in dettaglio la superficie craterizzata per scoprire di più sull’attività passata della luna. Le osservazioni permetteranno di limitare l’età della superficie lunare, sia su scala globale che locale, e di studiare i processi di erosione e deposizione di polvere di asteroidi sulle morfologie di Callisto.

In superficie, JUICE studierà la composizione e la chimica dei materiali rocciosi e ghiacciati di Callisto. I ricercatori mirano a identificare i vari composti organici e non che compongono la superficie della luna, metterli in relazione con la geologia e capire come le particelle ad alta energia dell’ambiente spaziale gioviano possono alterare la composizione della superficie, un processo chiamato invecchiamento spaziale.

La missione studierà anche il sottosuolo e l’interno della luna. Si pensa che Callisto contenga degli strati differenziati: un piccolo nucleo interno roccioso circondato da un mantello costituito per lo più da ghiaccio. Inoltre, la sonda Galileo ha trovato prove di un possibile oceano sotterraneo. Quella missione ha rilevato un campo magnetico indotto a Callisto con caratteristiche che suggeriscono che la luna potrebbe avere uno strato sotterraneo di acqua liquida salata. Se esiste un oceano sotterraneo, JUICE ne studierà le proprietà e limiterà lo spessore della crosta ghiacciata sopra di esso. Inoltre, il radar di penetrazione del ghiaccio di JUICE mapperà il sottosuolo della luna fino a pochi chilometri per indagare sul guscio ghiacciato.

Infine, JUICE indagherà sulla sottile atmosfera di Callisto, composta principalmente da anidride carbonica. Poiché è così rarefatta, l’atmosfera scapperebbe nello spazio in pochi giorni; per questo, deve esserci un processo a Callisto che reintegra continuamente l’anidride carbonica. Una possibilità è che il ghiaccio di anidride carbonica sulla superficie della luna si sublimi lentamente nell’atmosfera.

Europa

Con circa le stesse dimensioni della Luna terrestre, Europa è la più piccola delle quattro lune galileiane. Impiega circa 3,5 giorni per orbitare attorno a Giove e, come le sue compagne, è bloccata dalle maree, ovvero mostra sempre la stessa faccia verso Giove. Le maree, generate dal trascinamento gravitazionale di Giove durante l’orbita ellittica della luna, piegano e rilassano la superficie di Europa, causando un riscaldamento. Tale riscaldamento potrebbe fornire energia al guscio della luna e, forse, anche ai suoi strati interni.

Di tutte le lune di Giove, Europa è quella che secondo gli scienziati ha maggiori probabilità di ospitare la vita. Recentemente, il telescopio spaziale Hubble ha individuato potenziali pennacchi di vapore acqueo che si alzano a circa 160 chilometri sopra la superficie. Questi geyser potrebbero essere una fonte per la missione JUICE per campionare l’acqua nell’oceano sotterraneo di Europa e cercare tracce di vita senza dover perforare la crosta ghiacciata.

Gli scienziati sono interessati anche a capire le cause delle caratteristiche geografiche superficiali. JUICE sarà focalizzata sulle aree attive individuate dalla missione Galileo, per determinare i processi geologici responsabili delle formazioni sulla luna, sia le pianure luminose e striate che le regioni più scure e macchiate. Inoltre, gli scienziati cercheranno di capire in che modo i diversi processi possono scambiare materiale tra la superficie e il liquido sottostante.

La missione indagherà anche sulla crosta ghiacciata di Europa e su come interagisce con l’oceano sottostante. JUICE utilizzerà il radar RIME per determinare se esistono sacche di acqua liquida entro i primi chilometri del sottosuolo. A seconda dello spessore della crosta ghiacciata, il radar sarà anche in grado di sondare lo strato tra il guscio e l’oceano sotterraneo.

JUICE effettuerà due sorvoli di Europa e volerà a un’altitudine di circa 400 km durante l’avvicinamento più vicino.

Campi magnetici e interazioni

La magnetosfera di Giove, creata dal grande campo magnetico del pianeta, occupa un’area estremamente vasta attorno al gigante gassoso e lo protegge dal vento solare. La regione ha il proprio ambiente di plasma, con i vulcani di Io come fonte principale.

Il campo magnetico in rapida rotazione di Giove accelera le particelle, creando uno degli ambienti di radiazione più intensi del Sistema Solare. Le complicate interazioni tra la rotazione di Giove, il campo magnetico del pianeta, il caricamento del plasma da Io e il vento solare creano diverse regioni all’interno della vasta magnetosfera. L’esatta configurazione e la dinamica globale della magnetosfera di Giove, e il modo in cui i diversi ambienti del plasma si relazionano tra loro, è uno dei misteri del nostro Sistema Solare.

JUICE esplorerà la magnetosfera di Giove con dettagli senza precedenti per far luce sui processi che si verificano al suo interno. Inoltre sonderà come il campo magnetico di Giove interagisce con i satelliti galileiani. Mentre Io è una fonte di plasma, le lune ghiacciate, in particolare Ganimede ed Europa, sono pozzi di plasma con materiale trasportato dal campo magnetico di Giove che influenza la composizione dei satelliti. I dettagli di questi processi e quanto le particelle energetiche nella magnetosfera influenzino la composizione delle lune ghiacciate sono sconosciuti. JUICE potrebbe svelare questi misteri.

Atmosfera gioviana

JUICE studierà l’atmosfera complessa e in continua evoluzione di Giove, dalle nuvole della troposfera fino all’alta termosfera, con particolare attenzione alla sua struttura verticale, alla composizione e ai processi che la modellano.

La parte più bassa dell’atmosfera, lo strato meteorologico, è caratterizzata da un complicato sistema di nebbie e nubi. A seconda della loro opacità, le nuvole appaiono come zone chiare o cinture scure, conferendo a Giove il suo famoso aspetto a bande. JUICE mapperà ripetutamente l’atmosfera di Giove dall’equatore ai poli per determinare i meccanismi responsabili del mantenimento e della rigenerazione di queste bande colorate.

La suite di strumenti di telerilevamento della missione rivelerà i processi che collegano tra loro i diversi strati atmosferici, come la propagazione delle onde e il trasporto di energia. Gli strumenti misureranno, per la prima volta, i venti nell’atmosfera media del pianeta. La missione indagherà anche sulla composizione dei vari strati atmosferici e determinerà come gli impatti esterni influenzano l’atmosfera.

Io, anelli e lune interne

Durante l’analisi delle lune ghiacciate, la missione raccoglierà anche informazioni sul satellite galileiano più interno, Io, l’oggetto vulcanicamente più attivo nel nostro Sistema Solare

Su Io, l’attrazione gravitazionale verso l’interno di Giove e l’attrazione verso l’esterno dalle altre lune galileiane provocano un intenso riscaldamento, che guida l’attività geologica della luna. Le eruzioni dei suoi 400 vulcani attivi rilasciano lava sulla superficie di Io, mentre i gas e altre sostanze sfuggono alla sottile atmosfera della luna e alla magnetosfera di Giove. JUICE monitorerà l’attività vulcanica di Io e determinerà la composizione di diversi materiali di superficie.

La sonda esplorerà da remoto anche le lune interne più piccole di Giove e i suoi anelli deboli e polverosi. Metis, Adrastea, Amalthea e Thebe orbitano attorno al gigante gassoso rispettivamente da circa 127.000 chilometri a 222.000 chilometri, passando attraverso il sistema di anelli di Giove.

Si ritiene che la polvere espulsa da questi piccoli satelliti fornisca il materiale negli anelli, sebbene l’esatta composizione e l’età del sistema siano sconosciute. Un’altra incertezza riguarda il modo in cui la polvere negli anelli viene reintegrata. A causa dei violenti processi su Giove, che rimuovono piccole particelle, il tenue sistema di anelli non sarebbe una caratteristica di lunga durata senza l’aggiunta regolare di nuovo materiale. JUICE studierà i piccoli satelliti interni di Giove studiandone la forma e la composizione e facendo luce su come questi oggetti si relazionano agli anelli.

Juno, JUICE ed Europa Clipper
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La sonda Juno della NASA, che ha preceduto JUICE, e la prossima sonda della NASA Europa Clipper, sembrerebbero essere in qualche modo “sorelle”. In realtà si tratta di tre missioni uniche, con obiettivi, orbite e strumenti diversi. Anche se, come sempre con le missioni di esplorazione scientifica, le scoperte di Juno sono state utilizzate per preparare al meglio e ottimizzare i progetti di JUICE ed Europa Clipper.

La missione Juno ha raggiunto Giove nel luglio 2016. Da quel momento ha orbitato attorno al gigante gassoso ogni 53 giorni, catturando incredibili istantanee ad alta risoluzione. JUICE completerà i dati di Juno grazie ad una visione più globale, tenendo monitorate l’atmosfera e la magnetosfera.

Europa Clipper, invece, dovrebbe arrivare in orbita attorno a Giove nel 2030. La missione ha come obiettivo principale lo studio della luna Europa: indagherà se la luna ghiacciata ha condizioni adatte alla vita, analizzandola nel dettaglio. JUICE, invece, studierà molti bersagli, con focus principale su Ganimede.

Poiché JUICE ed Europa Clipper saranno presenti contemporaneamente nel sistema di Giove, il team scientifico di JUICE e quello di Europa Clipper stanno già collaborando per massimizzare i risultati scientifici delle due missioni. Di recente è stato formato un vero e proprio gruppo direttivo di questa collaborazione.

L’esplorazione di Giove
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La prima persona a vedere Giove e le sue quattro lune più grandi fu Galileo Galilei nel 1609, attraverso il suo semplice telescopio. Oltre 400 anni dopo e il desiderio eterno dell’umanità di guardare in alto ed esplorare mondi al di là dei limiti imposti dal nostro non si è ancora sopito. Per questo, nel corso del tempo una serie di missioni si sono susseguite verso il gigante gassoso più grande del Sistema Solare.

Partendo con la Pioneer 10 e 11, nel 1973 e 1974, a cui sono seguite le sonde Voyager 1 e 2 nel 1979, per poi cedere il posto alla Ulysses nel 1992, alla Galileo tra il 1995 e il 2003 e alla Cassini-Huygens nel 2000.

Le ultime due sonde ad aver osservato il sistema gioviano, prima di JUICE dell’ESA, sono la New Horizons e Juno, entrambe della NASA.

Intanto, in attesa della partenza di Europa Clipper che arriverà a far compagnia a JUICE attorno a Giove, salutiamo sorridenti la targa commemorativa a Galileo Galilei installata su questa sonda, un monito a non smettere mai di alzare gli occhi verso l’alto.

Fonti utilizzate per la scrittura di questa Guida e altri link utili:

• https://www.esa.int/
• https://sci.esa.int/
• https://www.ariane.group/en/news/destination-jupiter/?utm_campaign=newsletter&utm_source=en_US
• ESA JUICE launch kit
• Arianespace JUICE launch kit
• Comunicati stampa ufficiali sui siti delle agenzie spaziali