Planck switch-off: terminata la missione del satellite Esa

Planck switch-off: terminata la missione del satellite Esa

Telescopio spaziale Planck dell’ESA è stato spento dopo circa 4 anni e mezzo. Alle 14.10 di oggi 23 ottobre, dalla sala di controllo dell’ESOC (European Space Operations Centre) a Darmstadt in Germania, è stato dato l’ultimo comando. QUELLO DEFINITIVO. A darlo è stato lo scienziato Jan Tauber. Scrive Marco Malaspina dell’INAF: l’eredità scientifica che ci lascia, con dati raccolti su nove frequenze, in quattro anni e mezzo d’osservazione ininterrotta dell’intero cielo a microonde, è immensa.

PLANCK’S VIEW OF THE UNIVERSE


Un’eredità che comprende la mappa più accurata mai ottenuta della CMB (la radiazione di fondo a microonde), una stima dell’età dell’universo a due decimali (13,82 miliardi di anni) e addirittura una nuova ricetta per il cosmo, con il dosaggio dei sui ingredienti più oscuri rivisto e aggiornato. Ed è un’eredità che abbiamo appena iniziato a intaccare: sono attese per il 2014, per esempio, le mappe in polarizzazione, dalle quali potrebbe emergere – si augurano gli scienziati – l’impronta delle onde gravitazionali generate al momento del Big Bang.

Ma cosa comporta “ibernare permanentemente” un satellite distante un milione e mezzo di chilometri? Perché è stato necessario farlo? E come si è proceduto? «Non è per niente facile. La nostra attività principale è quella di tenere i satelliti attivi e in funzione, non quella di spegnerli», spiega Paolo Ferri, responsabile delle operazioni di volo dell’ESA. Già nel gennaio dello scorso anno Planck aveva esaurito il liquido refrigerante necessario a mantenere HFI, lo strumento ad alta frequenza, alla temperatura di funzionamento, prossima allo zero assoluto. I ricevitori a bassa frequenza dello strumento LFI (finanziato dall’ASI e realizzato in gran parte in Italia), potendo operare anche a temperature lievemente superiori, hanno invece potuto continuare a lavorare fino allo scorso agosto, permettendo così a Planck di compiere, nel corso della sua missione, ben otto survey complete del cielo, cinque delle quali con entrambi gli strumenti. Grazie al perfetto funzionamento di ogni componente del satellite (il downtime è da record: appena poche ore di buco nei dati sull’intera durata della missione), Planck è stato dunque mantenuto in vita ben oltre ogni aspettativa, come ha sottolineato Jan Tauber, il project scientist ESA della missione. Ed è così arrivato il momento di quello che in gergo viene chiamato “clean disposal”, lo smaltimento corretto.


Anzitutto, usando una parte degli oltre cento chili di carburante ancora presente nel serbatoio (lascito d’un lancio e d’un’inserzione in orbita impeccabili), s’è dato il via alla manovra di deorbiting, tesa a liberare Planck dal laccio gravitazionale che lo teneva ancorato a L2 (il punto lagrangiano secondo), e dunque alla Terra, lasciandolo così andare alla deriva attorno al Sole. A manovra in corso, ha avuto inizio la bonifica della navicella – passivating, nel gergo degli addetti ai lavori: le batterie sono state scollegate, la catena di trasmissione spenta, e i serbatoi del combustibile e dei liquidi criogenici svuotati fino all’ultima goccia. Per avere un’idea di quanto ESA curi questi aspetti, basti pensare che è stato eseguito addirittura un aggiornamento del software di bordo al fine d’impedire ogni futura trasmissione. Questo perché, nell’improbabile eventualità che Planck riuscisse a “riprendersi” dallo spegnimento (d’altronde, con tutti i raggi cosmici che passano da quelle parti, non si sa mai), tenterebbe immediatamente di comunicare con la Terra. La patch applicata previene appunto questi tentativi.
Insomma, un po’ come prendere a martellate il motore della vecchia auto, fedele compagna di mille avventure, prima di consegnarla col groppo in gola allo sfasciacarrozze. Ma se dal punto di vista sentimentale – sono centinaia i ricercatori e i tecnici sparsi nel mondo, molti dei quali in Italia e all’INAF, che a Planck hanno dedicato anni della propria vita – lo switch-off inviato oggi è un addio di quelli senz’appello, dal punto di vista scientifico la strada da percorrere in compagnia del telescopio spaziale ESA è ancora lunga. «La missione Planck è stata per me come scalare la montagna più alta del mondo: siamo arrivati fino in cima, raggiungendo un grandissimo successo. Ma Planck non muore: l’eredità che lascia con i dati di astronomia e cosmologia», sottolinea infatti il responsabile di LFI Reno Mandolesi, associato INAF, «continueranno a dare i loro frutti per molto tempo». [fonte]

DI SEGUITO I SEGRETI E I SUCCESSI DI PLANCK

E’ stata tracciata una nuova mappa della prima luce emessa dall’universo, che fa sorgere importanti domande sulla nostra attuale comprensione del Big Bang.


La mappa più precisa mai realizzata del fondo cosmico a microonde (la radiazione fossile del Big Bang), acquisita dal telescopio spaziale Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, è stata rilasciata oggi. Rivela l’esistenza di caratteristiche che mettono in discussione le basi della nostra attuale comprensione dell’universo.


La mappa si basa sui dati raccolti nei primi 15 mesi e mezzo d’osservazioni, ed è la prima immagine a tutto cielo prodotta da Planck della luce più antica emessa nel nostro Universo nel corso dei suoi 13,7 miliardi di anni di vita, risalente a quando aveva appena 380mila anni.

A quell’epoca, il giovane Universo era costituito da una zuppa densa e calda, circa 2700 gradi, di protoni, elettroni e fotoni che interagivano fra loro. Quando i protoni e gli elettroni si unirono a formare atomi d’idrogeno, i fotoni – e dunque la luce – poterono per la prima volta propagarsi liberamente. Mano a mano che l’Universo si espandeva, quella luce si è estesa fino alla lunghezza d’onda delle microonde, equivalente a una temperatura di soli 2,7 gradi sopra lo zero assoluto.
Questa radiazione cosmica di fondo a microonde (o CMB, dall’inglese cosmic microwave background) mostra piccole fluttuazioni di temperatura che corrispondono a regioni con leggere differenze di densità nell’Universo primordiale, e che costituiscono i semi di tutte le strutture che si sarebbero formate successivamente: le stelle e le galassie di oggi.
Secondo il modello standard della cosmologia, le fluttuazioni sarebbero sorte immediatamente dopo il Big Bang, per poi estendersi a scale cosmologiche, dunque di grandi dimensioni, nel corso di una rapida fase d’espansione accelerata nota come “inflazione”.
Planck è stato progettato per ricostruire, con una risoluzione e una sensibilità senza precedenti, la mappa a tutto cielo di queste fluttuazioni. Analizzando la natura e la distribuzione dei semi nell’immagine della CMB di Planck, siamo in grado di stabilire la composizione e l’evoluzione dell’Universo dalla sua nascita ai giorni nostri.
Nel complesso, le informazioni estratte dalla nuova mappa di Planck forniscono, con un’accuratezza mai raggiunta prima, una conferma eccellente del modello standard della cosmologia, diventando così un nuovo punto di riferimento per il nostro elenco dei contenuti dell’Universo.
Una nuova fisica? Le sorprese della mappa di Planck
Ma proprio grazie alla sua altissima precisione, la mappa di Planck ha anche messo in evidenza alcune peculiarità inspiegabili che, per essere comprese, potrebbero richiedere una nuova fisica.


«La straordinaria qualità del ritratto dell’Universo neonato ottenuto da Planck ci permette di rimuovere uno a uno i suoi strati fino alle fondamenta. E quel che ne emerge è che il nostro modello del cosmo è ben lungi dall’essere completo. Un risultato reso possibile grazie a tecnologie uniche, sviluppate ad hoc dall’industria europea», spiega Jean-Jacques Dordain, Direttore Generale dell’ESA.


«I successi raccolti da Planck in questi anni sono il frutto anche di un sistema di eccellenza italiano, nel quale scienziati e industria hanno collaborato in maniera ordinata e produttiva. Un’eccellenza che è sempre presente in maniera significativa in molte missioni che ci pongono all’avanguardia nello sviluppo e nella realizzazione di strumenti e progetti in campo internazionale», dichiara Enrico Saggese, Presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana.

“Ho contribuito a far si che questa missione avesse luogo sia come Presidente del Consiglio Scientifico dell’ESA – ricorda Giovanni Bignami, Presidente dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – che prima ancora come Direttore Scientifico dell’ASI. Ho poi avuto modo di sostenerla come presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana e oggi sono a raccoglierne i preziosi frutti come Presidente dell’INAF, testimone, credo, di un’eccellenza italiana nel campo dell’astrofisica e delle attività spaziali che ha pochi eguali al mondo”.
Una delle scoperte più sorprendenti è che, a grandi scale angolari, le fluttuazioni della temperatura della CMB non corrispondono a quelle previste dal modello standard: il loro segnale è meno intenso di quanto implicherebbe la struttura a scala angolare più piccola rivelata da Planck.
Non solo: le temperature medie nei due emisferi opposti del cielo presentano un’asimmetria. E questo è in contrasto con quanto predice il modello standard, secondo il quale l’Universo dovrebbe essere grosso modo simile in tutte le direzioni in cui lo osserviamo.
Oltre a ciò, c’è una regione fredda (cold spot) che si estende su una porzione di cielo molto più grande del previsto.
Le due anomalie dell’asimmetria e della regione fredda erano già state notate dal predecessore di Planck, la missione WMAP della NASA, ma erano state in gran parte ignorate per i dubbi che permanevano circa le loro origini cosmiche.

«La rilevazione di queste anomalie da parte di Planck scioglie ogni dubbio circa la loro realtà. Non è più possibile attribuirle a errori introdotti dalle misure: ci sono davvero. Ora dobbiamo riuscire a spiegarle in modo convincente», dice Paolo Natoli dell’Università degli Studi di Ferrara.
Un modo per spiegare le anomalie è quello di supporre che l’Universo, a scale maggiori di quelle che riusciamo a vedere, non sia in realtà uguale in tutte le direzioni. In un simile scenario, i raggi di luce della CMB potrebbero aver attraversato l’Universo seguendo una strada più complicata di quanto immaginavamo, dando così origine agli schemi inconsueti che stiamo osservando.

«Una delle conferme più importanti offerte dai dati di Planck riguarda le fluttuazioni primordiali: quelle da cui si sono formate, nel tempo, le galassie, le stelle e tutte le strutture che osserviamo. Grazie a Planck, oggi sappiamo che quelle fluttuazioni obbediscono con grande precisione a una statistica gaussiana. Questo risultato rappresenta la più stringente conferma dell’inflazione. Ora occorre però comprendere che cosa l’abbia messa in moto, pochissimi istanti dopo il Big Bang», osserva Nazzareno Mandolesi, membro del CdA dell’Agenzia Spaziale Italiana e associato INAF, responsabile dello strumento LFI di Planck. «Prendiamo la nuova particella identificata al CERN: se, come sembra, è davvero il bosone di Higgs, essa ha un ruolo fondamentale nel dare una massa a tutte le particelle elementari del modello standard. Ma potrebbe essere anche la misteriosa particella che scatena l’inflazione? Queste sono le domande con le quali una nuova fisica, situata all’intersezione fra cosmologia e fisica fondamentale, dovrà confrontarsi negli anni a venire».

Una nuova ricetta cosmica
In ogni caso, al di là delle anomalie, i dati di Planck mostrano un accordo spettacolare con le attese derivanti da un modello dell’Universo piuttosto semplice, permettendo agli scienziati di calcolare, con una precisione mai raggiunta prima, le quantità dei suoi ingredienti.
La materia normale, quella di cui sono fatte le stelle e le galassie, contribuisce per appena il 4,9% alla totalità della massa e della densità d’energia di cui è costituito Universo. La materia oscura – rilevata fino a oggi solo in modo indiretto, osservandone gli effetti gravitazionali – contribuisce per il 26,8%, quasi un quinto in più di quanto stimato in precedenza. Discorso opposto per l’energia oscura, una forza misteriosa ritenuta responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’Universo: il suo contributo è minore di quello che si pensava.
Infine, i dati di Planck permettono di assegnare un nuovo valore alla costante di Hubble, che indica la velocità alla quale l’Universo si sta oggi espandendo: 67,15 km/s/Mpc, dunque un valore significativamente inferiore rispetto a quello standard utilizzato in astronomia. Da questo numero si desume che l’età dell’Universo è di 13.82 miliardi di anni. «Dopo vent’anni di lavoro e di attesa, è un’emozione straordinaria vedere in diretta l’universo neonato con una definizione senza precedenti. È un po’ come sbarcare per la prima volta su un continente ignoto», dice Marco Bersanelli dell’Università degli Studi di Milano e associato INAF. «Le mappe di Planck portano i segni inequivocabili di processi che sono avvenuti nella prima frazione di secondo dopo l’inizio della storia cosmica, e ci sorprendono con alcune tracce impreviste la cui natura al momento sfugge a qualsiasi spiegazione».

(fonte INAF / ASI)



Overall, the information extracted from Planck’s new map provides an excellent confirmation of the standard model of cosmology at an unprecedented accuracy, setting a new benchmark in our manifest of the contents of the Universe. But because precision of Planck’s map is so high, it also made it possible to reveal some peculiar unexplained features that may well require new physics to be understood.

“The extraordinary quality of Planck’s portrait of the infant Universe allows us to peel back its layers to the very foundations, revealing that our blueprint of the cosmos is far from complete. Such discoveries were made possible by the unique technologies developed for that purpose by European industry,” says Jean-Jacques Dordain, ESA’s Director General.

“Since the release of Planck’s first all-sky image in 2010, we have been carefully extracting and analysing all of the foreground emissions that lie between us and the Universe’s first light, revealing the cosmic microwave background in the greatest detail yet,” adds George Efstathiou of the University of Cambridge, UK.

One of the most surprising findings is that the fluctuations in the CMB temperatures at large angular scales do not match those predicted by the standard model – their signals are not as strong as expected from the smaller scale structure revealed by Planck.


COME FUNZIONA IL SATELLITE


Un aspetto molto importante per Planck, e in generale per molti esperimenti di fondo cosmico (CMB) e osservazioni astronomiche, è il modo in cui viene osservato il cielo. Planck è un satellite che ruota attorno al suo asse (si parla di "spinning satellite") una volta al minuto. L’asse ottico del telescopio di Planck punta a 85 gradi dall’asse di rotazione del satellite. Allora, per ogni direzione dell’asse di rotazione del satellite, il telescopio di Planck osserva un grande cerchio nel cielo. In realtà ogni rivelatore di Planck punta in una sua specifica direzione distante solo pochi gradi da quella dell’asse del telescopio: perciò ogni rivelatore osserva il proprio particolare cerchio in cielo. L’asse del satellite deve puntare dalla parte opposta del Sole affinché il satellite stesso possa essere schermato con i suoi "pannelli" dalle radiazioni del Sole (ma anche della Terra e della Luna), che danneggerebbero gli strumenti (e le osservazioni). Come descritto in sezione 1.3, Planck non ruota attorno alla Terra ma molto più lontano, ovvero attorno al punto L2, collocato lungo la direzione Sole-Terra, dalla parte opposta del Sole, a 1.5 milioni di Km dalla Terra (1/100 della distanza Sole-Terra). La direzione dell’asse del satellite viene aggiornata per "seguire" il moto di rivoluzione attorno al Sole e mantenersi sempre pressoché lungo la direzione Sole-Terra, ovvero si sposta di circa 1 grado al giorno, o più precisamente di 2 arcominuti ogni 48 minuti circa. Allora i cerchi osservati (per circa 48 volte consecutive) da ogni rivelatore si spostano via via nel cielo e in poco più di 6 mesi la sovrapposizione di questi cerchi copre tutto il cielo. Riordinando le osservazioni prese cerchio per cerchio si costruisce la mappa del cielo per ogni rivelatore. Combinando insieme i dati e le mappe di tutti i rivelatori che operano alla stessa frequenza di osservazione si ottiene la mappa finale a ciascuna frequenza osservata da Planck. Queste mappe alle 9 frequenze vengono analizzate insieme per ottenere la mappa delle anisotropie (si veda la sezione 4.1) del CMB e quelle di tutte le altre componenti astrofisiche (si veda sezione 5.3). In realtà, l’asse del satellite va un po’ su e un po’ giù (di 7.5 gradi) rispetto alla direzione esattamente opposta al Sole seguendo un moto cicloidale del periodo di 6 mesi. Così tutti i rivelatori possono osservare proprio tutto il cielo. I cerchi descritti da ogni rivelatore si incrociano molte volte in posizioni diverse nel cielo in modo da poter confrontare su questi incroci le osservazioni prese nello stesso punto del cielo ma a tempi diversi e migliorare l’analisi dei dati (si veda la sezione 6.5). Nei suoi 14 mesi di osservazioni garantite, Planck realizzerà per 2 volte la mappa di tutto il cielo e contiamo di poter prolungare la missione per osservare 4 volte tutto il cielo.


COME FUNZIONA IL SATELLITE

Un aspetto molto importante per Planck, e in generale per molti esperimenti di fondo cosmico (CMB) e osservazioni astronomiche, è il modo in cui viene osservato il cielo.


Planck è un satellite che ruota attorno al suo asse (si parla di "spinning satellite") una volta al minuto. L’asse ottico del telescopio di Planck punta a 85 gradi dall’asse di rotazione del satellite. Allora, per ogni direzione dell’asse di rotazione del satellite, il telescopio di Planck osserva un grande cerchio nel cielo. In realtà ogni rivelatore di Planck punta in una sua specifica direzione distante solo pochi gradi da quella dell’asse del telescopio: perciò ogni rivelatore osserva il proprio particolare cerchio in cielo. L’asse del satellite deve puntare dalla parte opposta del Sole affinché il satellite stesso possa essere schermato con i suoi "pannelli" dalle radiazioni del Sole (ma anche della Terra e della Luna), che danneggerebbero gli strumenti (e le osservazioni).


Come descritto in sezione 1.3, Planck non ruota attorno alla Terra ma molto più lontano, ovvero attorno al punto L2, collocato lungo la direzione Sole-Terra, dalla parte opposta del Sole, a 1.5 milioni di Km dalla Terra (1/100 della distanza Sole-Terra). La direzione dell’asse del satellite viene aggiornata per "seguire" il moto di rivoluzione attorno al Sole e mantenersi sempre pressoché lungo la direzione Sole-Terra, ovvero si sposta di circa 1 grado al giorno, o più precisamente di 2 arcominuti ogni 48 minuti circa. Allora i cerchi osservati (per circa 48 volte consecutive) da ogni rivelatore si spostano via via nel cielo e in poco più di 6 mesi la sovrapposizione di questi cerchi copre tutto il cielo.


Riordinando le osservazioni prese cerchio per cerchio si costruisce la mappa del cielo per ogni rivelatore. Combinando insieme i dati e le mappe di tutti i rivelatori che operano alla stessa frequenza di osservazione si ottiene la mappa finale a ciascuna frequenza osservata da Planck. Queste mappe alle 9 frequenze vengono analizzate insieme per ottenere la mappa delle anisotropie (si veda la sezione 4.1) del CMB e quelle di tutte le altre componenti astrofisiche (si veda sezione 5.3). In realtà, l’asse del satellite va un po’ su e un po’ giù (di 7.5 gradi) rispetto alla direzione esattamente opposta al Sole seguendo un moto cicloidale del periodo di 6 mesi. Così tutti i rivelatori possono osservare proprio tutto il cielo. I cerchi descritti da ogni rivelatore si incrociano molte volte in posizioni diverse nel cielo in modo da poter confrontare su questi incroci le osservazioni prese nello stesso punto del cielo ma a tempi diversi e migliorare l’analisi dei dati (si veda la sezione 6.5). Nei suoi 14 mesi di osservazioni garantite, Planck realizzerà per 2 volte la mappa di tutto il cielo e contiamo di poter prolungare la missione per osservare 4 volte tutto il cielo.

Le notizie del sito diregiovani sono utilizzabili e riproducibili, a condizione di citare espressamente la fonte «diregiovani.it» e l'indirizzo “ www.diregiovani.it