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Solar Orbiter
Riepilogo

La missione di Solar Orbiter ha l'obiettivo di eseguire un primo piano senza precedenti di osservazione del Sole e delle alte latitudini fornendo immagini delle regioni polari inesplorate del Sole e indagando sulla connessione Sole-Terra. La navicella spaziale trasporta 10 strumenti all'avanguardia che effettueranno l'imaging ad alta risoluzione dell'atmosfera solare - la corona - così come il disco solare. Altri strumenti misureranno il vento solare e i campi magnetici nelle vicinanze dell'orbiter. Ciò fornirà informazioni senza precedenti su come funziona la nostra stella madre durante il suo ciclo di 11 anni e come sia possibile prevedere le tempeste solari.
Solar Orbiter impiegherà poco meno di due anni per raggiungere la sua iniziale orbita operativa sfruttando i sorvoli e le fionde gravitazionali della Terra e Venere per entrare in un'orbita altamente ellittica attorno al Sole. Solar Orbiter prota avanti l'eredità di missioni come Ulisse (1990-2009) e SOHO (1995-oggi) e fornirà anche insiemi di dati complementari alla sonda solare Parker della NASA per consentire di avere un maggior quantità di dati scientifici suddivisi tra le due missioni che altrimenti non sarebbe possibile ottenere da una sola sonda.

Un ambiente estremo

Il Solar Orbiter dovrà operare per anni in una delle regioni più ostili del Sistema Solare. Nell'approccio più vicino, a circa 42 milioni di chilometri dal Sole, si troverà a poco più di un quarto della distanza tra la stella e il nostro pianeta, ben all'interno dell'orbita di Mercurio. Così vicino al Sole l'astronave sarà esposta a una radiazione solare 13 volte più intensa di quella che ricevuamo sulla Terra. Il veicolo spaziale dovrà sopportare le potenti esplosioni di radiazione di particelle derivate dalle esplosioni nell'atmosfera solare. Lo scudo termico del veicolo spaziale è la chiave per rendere possibile questa missione, che può resistere fino a temperature di 500° C. Delle piccole porte scorrevoli con finestre resistenti al calore, faranno entrare la luce solare negli strumenti scientifici situati direttamente dietro lo scudo.

Il viaggio intorno al Sole

Le manovre di fionda gravitazionale con la Terra e con Venere consentiranno al veicolo spaziale di cambiare l'inclinazione per osservare il Sole da diverse prospettive. Durante la fase iniziale della crociera, che durerà fino al novembre 2021, Solar Orbiter eseguirà due manovre di fionda intorno a Venere e una intorno alla Terra modificare la traiettoria guidandola verso le regioni più interne del Sistema Solare. Allo stesso tempo, Solar Orbiter acquisirà dati in situ e caratterizzerà e calibrerà i suoi strumenti di telerilevamento. Il primo passaggio ravvicinato del Sole avrà luogo nel Febbraio del 2021 a circa un terzo della distanza tra Terra e Sole.
L'orbita del veicolo spaziale è stata scelta per essere "in risonanza" con Venere, il che significa che tornerà nelle vicinanze del pianeta in alcune orbite così da poter nuovamente utilizzare la gravità del pianeta per alterare o inclinare la sua orbita. Inizialmente il Solar Orbiter sarà posto allo stesso piano orbitale dei pianeti, ma ogni sorvolo di Venere aumenterà la sua inclinazione orbitale. Ad esempio, dopo l'incontro di Venere del 2025, effettuerà il suo primo passaggio solare con un'inclinazione di 17º (aumentandolo fino a 33º nel caso di una eventuale estensione della missione) portandolo ancor più in visuale diretta delle regioni polari.

La collaborazione con il Parker Solar Probe
La Parker Solar Probe possiede un carico scientifico inferiore rispetto al Solar Orbiter ma si avvicina maggiormente al Sole. Come il Solar Orbiter utilizza manovre di fionda gravitazionale per immergersi nelle vicinanze del Sole e detiene già il record per il passaggio più ravvicinato. Il 4 aprile 2019 ha attraversato la superficie solare a una distanza di circa 24 milioni di chilometri e continuerà a diminuire la distanza durante le 24 orbite previste. Nelle ultime tre orbite della sua missione nominale la sonda solare Parker passerà entro i 6,2 milioni di chilometri dalla superficie del Sole, affrontando calore e radiazioni come nessun veicolo spaziale prima di essa. La sonda Parker Solar Probe trasporta strumenti per il campionamento della corona solare e il suo obiettivo è la regione dello spazio in cui il plasma coronale si stacca e muta in vento solare. Ciò fornirà agli scienziati una visione sulle condizioni del plasma in quella regione e aiuterà a individuare come viene accelerato verso l'esterno e spinto verso i pianeti. Tuttavia, Parker Solar Probe non ha telecamere che visualizzano direttamente il Sole poichè nessuna tecnologia attuale potrebbe guardare il Sole da così vicino e sopravvivere.
Qui entra in gioco Solar Orbiter.
Oltre a raggiungere i propri obiettivi scientifici, Solar Orbiter fornirà informazioni contestuali per migliorare la comprensione delle misurazioni in situ della Parker. Lavorando insieme in questo modo, i due veicoli spaziali raccoglieranno insiemi di dati complementari che consentiranno di ottenere più indagini scientifiche dalle due missioni di quanto entrambe potrebbero gestire da sole.

Specifiche Tecniche

Il Solar Orbiter è una piattaforma stabilizzata a 3 assi con uno scudo termico dedicato alla protezione dagli alti livelli di radiazione solare vicino al perielio.
Il veicolo spaziale possiede una piattaforma adatta ad accogliere la combinazione di telerilevamento e strumentazione in situ in un ambiente elettromagneticamente non contaminato. I 21 sensori sono stati configurati per consentire di condurre gli esperimenti di rilevamento in situ o remoto con accesso e protezione dall'ambiente solare.
Al fine di contenere i costi, pur consentendo il pieno funzionamento degli strumenti, il Solar Orbiter ha ereditato la tecnologia dalle precedenti missioni, come gli array solari del BepiColombo Mercury Planetary Orbiter.
I pannelli solari possono essere ruotati attorno al loro asse longitudinale per evitarne il surriscaldamento in prossimità del Sole. Un blocco batteria fornirà energia supplementare in determinati momenti della missione, come i periodi di eclissi nei quali ci si può imbattere durante i voli planetari.
Il sottosistema telemetria, rilevamento e comando fornisce la comunicazione con la Terra sulla banda X. Il sottosistema supporta simultaneamente la telemetria, il pilotaggio e il ranging . Le antenne a basso guadagno (LGA) vengono utilizzate per la fase di lancio e nella prima fase orbitale (LEOP) e saranno disponibili anche come backup durante la missione quando entreranno in uso le antenne a medio e alto guadagno orientabili.
L'antenna ad Alto Guadagno e Alta Temperatura deve poter assumere una vasta gamma di posizioni per ottenere un collegamento con la stazione di terra ed essere in grado di inviare volumi di dati sufficienti. Il suo design è stato adattato dalla missione BepiColombo.
L'antenna deve inoltre far fronte a un elevato carico termico ed essere conduttiva per evitare l'accumulo di potenziale elettrostatico. L'antenna può essere ripiegata per ottenere protezione dallo scudo termico dell'Orbiter solare, se necessario. A causa dell'orbita particolare scelta per la missione, la portata dello scarico dei dati sarà molto variabile. La maggior parte dei dati verrà quindi inizialmente archiviata nella memoria di bordo e rispedita sulla Terra appena possibile.

Strumentazione

Una suite di dieci strumenti scientifici di Solar Orbiter effettuerà le osservazioni del Sole e appartengono a due categorie differenti: in situ e di telerilevamento. Gli strumenti in situ misurano le condizioni attorno al veicolo spaziale mentre gli strumenti di telerilevamento misurano ciò che sta accadendo a grandi distanze. Insieme, entrambi i set di dati possono essere utilizzati per assemblare un quadro più completo di ciò che accade nella corona e nel vento solare.

Gli strumenti in situ sono:

Rivelatore di particelle energetiche (EPD)
L'Energetic Particle Detector misurerà le particelle energetiche che scorrono oltre il veicolo spaziale. Guarderà la loro composizione e variazione nel tempo. I dati aiuteranno gli scienziati a studiare le fonti, i meccanismi di accelerazione e i processi di trasporto di queste particelle.
Magnetometro (MAG)
Il MAG misurerà il campo magnetico attorno al veicolo spaziale con alta precisione. Aiuterà a determinare come il campo magnetico del Sole si collega al resto del Sistema Solare e cambia nel tempo. Questo aiuterà a capire come viene riscaldata la corona e come viene trasportata l'energia nel vento solare.
Onde radio e al plasma (RPW)
Il Radio and Plasma Waves misurerà la variazione dei campi magnetici ed elettrici utilizzando una serie di sensori e antenne. Ciò contribuirà a determinare le caratteristiche delle onde e dei campi elettromagnetici nel vento solare. RPW è l'unico strumento su Solar Orbiter che effettua misurazioni sia in situ che a distanza.
Analizzatore di plasma e vento solare (SWA)
Il Solar Wind Plasma Analyser è costituito da una serie di sensori che misurano le proprietà di massa del vento solare, come densità, velocità e temperatura. Misurerà anche la composizione del vento solare.

Gli strumenti di telemetria:

Imager Ultravioletto Estremo (EUI)
L'Extreme Ultraviolet Imager scatterà immagini della cromosfera solare, della regione di transizione e della corona. Ciò consentirà agli scienziati di indagare sui misteriosi processi di riscaldamento che hanno effetto in questa regione e consentirà di collegare le misurazioni in situ del vento solare alle loro regioni di origine sul Sole.
Coronografo (Metis)
Il Metis scatta immagini simultanee della corona in lunghezze d'onda visibili e ultraviolette. Ciò mostrerà la struttura e la dinamica dell'atmosfera solare con un dettaglio senza precedenti che si estende da 1,7 a 4,1 raggi solari. Ciò consentirà agli scienziati di studiare il legame tra il comportamento di queste regioni e il clima spaziale nel Sistema Solare interno.
Imager Polarimetrico ed Eliosismico (PHI)
Il Polarimetric and Helioseismic Imager fornirà misurazioni ad alta risoluzione del campo magnetico attraverso la fotosfera e mappe della sua luminosità a lunghezze d'onda visibili. Produrrà anche mappe di velocità del movimento della fotosfera che consentiranno indagini eliosismiche dell'interno solare, in particolare della zona convettiva.
Heliospheric Imager (SoloHI)
L'Heliospheric Imager SoloHI scatta immagini del vento solare catturando la luce diffusa dalle particelle di elettroni nel vento. Ciò consentirà l'identificazione di disturbi transitori nel vento solare, come il tipo che può scatenare un'espulsione di massa coronale, in cui un miliardo di tonnellate di gas coronale possono essere espulse nello spazio verso l'esterno.
Imaging spettrale dell'ambiente coronale (SPICE)
Lo Spectral Imaging of the Coronal Environment rivelerà le proprietà della regione di transizione solare e della corona misurando le lunghezze d'onda ultraviolette estreme emesse dal plasma. Questi dati saranno abbinati alle proprietà del vento solare che vengono successivamente rilevate dagli strumenti in situ del veicolo spaziale.
Spettrometro a raggi X e telescopio (STIX)
L'X-ray Spectrometer-Telescope rileverà l'emissione di raggi X proveniente dal Sole. Ciò potrebbe provenire dal plasma caldo, spesso correlato ad attività magnetica esplosiva come i brillamenti solari. STIX fornirà i tempi, la posizione, l'intensità e i dati energetici per questi eventi in modo che i loro effetti sul vento solare possano essere meglio compresi.
Cronologia Missione
10-02-2020 Solar Orbiter: lancio da Cape Canaveral
26-12-2020 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #1
08-08-2021 Solar Orbiter: Sorvolo della Terra
03-09-2022 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #2
18-02-2025 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #3
24-12-2026 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #4
17-03-2028 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #5
10-06-2029 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #6
02-09-2030 Solar Orbiter: Sorvolo di Venere #7
Oggetti
  • Sole
    Nana Gialla

    La stella madre del Sistema Solare, viene classificata come Nana Gialla di tipo spettrale G2 V.

Obiettivi

Il Solar Orbiter mira a compiere importanti progressi nella nostra comprensione dell'eliosfera interna del Sole e sugli effetti dell'attività solare. Il veicolo spaziale effettuerà una combinazione unica di misurazioni: le rilevazioni in situ verranno utilizzate insieme al telerilevamento vicino al Sole per mettere in relazione queste misurazioni con le regioni e le strutture di origine sulla superficie del Sole. CIò verrà svolto sia dentro che fuori dal piano eclittico. Il Solar Orbiter misurerà il plasma del vento solare, i campi, le onde e le particelle energetiche abbastanza vicine al Sole per garantire che siano ancora relativamente incontaminate.
Gli strumenti in situ opereranno su ogni orbita mentre il telerilevamento sarà limitato a 30 giorni per orbita, in particolare nei periodi in cui l'astronave si trova all'angolo più ampio rispetto all'equatore solare e durante il momento di maggior vicinanza al Sole. Durante la missione nominale il Solar Orbiter osserverà il Sole da latitudini fino a 25°. Ciò consentirà agli strumenti di visualizzare nitidamente le regioni polari del Sole e di effettuare misurazioni che miglioreranno la nostra comprensione della dinamo solare e l'inversione di polarità del campo magnetico globale. Dopo circa otto anni il Solar Orbiter osserverà i poli da latitudini solari superiori a 30° rispetto a 7° che è il massimo visibile dalla Terra.
L'astronave si avvicinerà al Sole ogni cinque mesi. Durante il sorvolo più vicino, nel momento di maggiore velocità, il Solar Orbiter si posizionerà per diversi giorni nella stessa regione dell'atmosfera solare mentre il Sole ruota sul suo asse. Proprio come i satelliti geostazionari meteorologici e di telecomunicazione posizionati su punti particolari della superficie terrestre, il Solar Orbiter sarà in grado di osservare l'attività magnetica che si accumula nell'atmosfera e che può portare a potenti bagliori ed eruzioni.
I ricercatori avranno anche la possibilità di coordinare le osservazioni con la missione della sonda solare Parker della NASA che effettuerà misurazioni in situ nella corona estesa del Sole (fino a circa 9,5 raggi solari).
Il Solar Orbiter cercherà di trovare risposta a quattro importanti quesiti scientifici:

Cosa muove il vento solare e da dove proviene il campo magnetico coronale?
I flussi non-stop di elettroni e ioni si riversano dal Sole in tutte le direzioni in flussi di vento elettrico lenti e veloci che viaggiano a una velocità compresa tra 300 e 800 chilometri al secondo. Questo vento solare e le sue variazioni hanno un profondo effetto sull'ambiente spaziale terrestre, come già osservato nelle missioni Cluster e Double Star.
Su larga scala, la struttura del vento solare e del campo magnetico eliosferico e la loro mappatura sulla corona solare sono ragionevolmente ben comprese. L'origine del vento solare più lento, tuttavia, non è ancora chiara e i meccanismi che riscaldano la corona e accelerano il vento solare rimangono un mistero. Per comprendere gli effetti del Sole sull'eliosfera dobbiamo comprendere la fisica che collega il plasma alla superficie solare e il riscaldamento e l'accelerazione del vento solare in fuga. Ciò migliorerà la comprensione su come le stelle in generale perdano massa e momento angolare a causa dei venti stellari.
Muovendosi lentamente sulla superficie solare vicino al perielio il Solar Orbiter misurerà come variano le proprietà del vento solare, a seconda delle proprietà mutevoli della sua regione di origine. I risultati dovrebbero aiutare a distinguere tra modelli concorrenti di generazione di energia solare. Sarà possibile ricostruire il campo magnetico coronale mediante estrapolazione, con condizioni al contorno ben definite, utilizzando le misurazioni del campo magnetico fotosferico, insieme a quelle realizzate in situ.

In quale modo i fenomeni transitori solari guidano la variabilità eliosferica?
Il Sole presenta fenomeni transitori, come razzi, espulsioni di massa coronale (CME), protuberanze eruttive e onde d'urto. Questi eventi influenzano la struttura e la dinamica del vento solare che fuoriesce e quindi alla fine influenzano la magnetosfera terrestre e l'atmosfera superiore, creando ciò che è noto come "tempo spaziale".
Ci sono domande fondamentali a cui rispondere a questi eventi transitori e come si sviluppano se in futuro dovremo tentare di prevedere tali eventi o i loro effetti sul geospazio e sull'eliosfera. Questo aiuterà anche la nostra comprensione di altre stelle che mostrano comportamenti transitori come il "flaring".
Operando vicino alle fonti solari degli eventi transitori, Solar Orbiter sarà in grado di campionare i campi e i plasma nel loro stato originario. Ciò consentirà a Solar Orbiter sia di determinare l'ingresso nell'eliosfera, sia di misurare le conseguenze eliosferiche degli eventi eruttivi.

In che modo le eruzioni solari producono radiazioni di particelle energetiche che riempiono l'eliosfera?

Il sole è il più potente acceleratore di particelle nel Sistema Solare. Produce abitualmente radiazioni di particelle energetiche a velocità vicine al quella della luce. Questa radiazione è sufficientemente potente per essere rilevata sulla Terra anche dietro la protezione del nostro campo magnetico e dell'atmosfera. Gli eventi propulsione elettrica solare (SEP) possono danneggiare gravemente gli hardware, interrompere le comunicazioni radio e causare il reinstradamento del traffico aereo commerciale lontano dalle regioni polari.
Quasi l'intero carico scientifico del Solar Orbiter contribuirà a scoprire le origini degli eventi SEP. Esaminando le particelle stesse e prendendo misure e immagini a diverse lunghezze d'onda dell'ambiente da cui provengono, il Solar Orbiter rivelerà quale dei meccanismi candidati per la produzione di SEP è più vicino alla natura.

Come funziona la dinamo solare e come interviene sulle connessioni tra il Sole e l'eliosfera?
Il campo magnetico del Sole domina l'intera atmosfera solare. Esso produce tutti i fenomeni energetici osservati e mostra un ciclo di attività di 11 anni. Nonostante i notevoli progressi nella nostra conoscenza e comprensione del magnetismo solare usando le osservazioni delle missioni di Ulisse, SOHO e Hinode - e recenti modelli teorici nonchè simulazioni numeriche - i dettagli dei cosiddetti processi della "dinamo solare" che alimentano il ciclo di attività magnetica del Sole non sono stati ancora completamente compresi.
Il campo magnetico globale del Sole è generato da una dinamo generalmente ritenuta alloggiata nella tachocline, la sezione alla base della zona di convezione. Secondo i modelli di dinamo per il trasporto di flusso, la circolazione meridionale e altri flussi vicini alla superficie trasportano il flusso magnetico dalle regioni attive in decomposizione sino ai poli. La subduzione lo porta alla tachocline per essere rielaborato per il ciclo successivo.
Un obiettivo chiave della missione di Solar Orbiter è misurare e caratterizzare i flussi che trasportano i campi magnetici solari: flussi complessi vicino alla superficie, flusso meridionale e rotazione differenziale a tutte i raggie e le latitudini. Abbiamo bisogno di una conoscenza dettagliata del trasporto del flusso magnetico vicino ai poli per comprendere la dinamo solare e l'inversione di polarità regolare del campo magnetico globale. L'imaging del Solar Orbiter delle proprietà e delle dinamiche della regione polare durante la fase extra-eclittica della missione (raggiungendo latitudini eliografiche di 25° durante la missione nominale e fino a 34° durante l'eventuale missione estesa) fornirà nuovi importanti vincoli per i modelli della dinamo solare.

Notizie

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