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Cheops il telescopio europeo inizia lo studio degli esopianeti

Il nuovo telescopio spaziale europeo ha iniziato a intensificare le sue operazioni scientifiche. Cheops è stato lanciato a dicembre per studiare i pianeti extrasolari. Dopo un periodo di collaudo, l’osservatorio in orbita è ora pronto per compiere la sua missione. I primi obiettivi per le indagini includono il cosiddetto “pianeta di polistirolo” Kelt-11b; il “pianeta di lava” 55 Cancri-e; e il “pianeta in evaporazione” GJ-436b.

Cheope nello spazio
Immagine copyrightESA Immagine didascaliaIllustrazione: Cheope osserva gli esopianeti mentre passano davanti alle loro stelle ospiti

Cheops spera di aggiungere alla conoscenza umana, come sono realmente questi e centinaia di altri oggetti remoti. Il telescopio osserverà i piccoli cambiamenti di luce quando un pianeta passa davanti alla sua stella.

Questo evento, chiamato transito, determinerà il diametro preciso per “l’esopianeta”. Quando queste informazioni sono combinate ai dati della massa dell’oggetto – ottenuti con altri mezzi – sarà possibile per gli scienziati dedurre la densità del corpo. E questo dovrebbe dire molto sulla composizione e sulla struttura interna del pianeta.

Kelt-11b è un esopianeta gigante circa del 30% più grande di Giove che orbita molto vicino a una stella chiamata HD 93396. Kelt-11b sembra apparentemente “gonfio” con una densità molto bassa, come una schiuma densa, da cui il confronto con il termine polistirolo.

Dalle variazioni di luce della stella quando Kelt-11b effettua il transito, il fotometro di Cheops determina il diametro del pianeta misurando; 181.600 km (più o meno 4.290 km). Questa misura è cinque volte più precisa di quanto fosse possibile utilizzando un telescopio terrestre.

Il tuffo nella luce visto quando Kelt 11b attraversò la sua stella CHEOPS
Copyright dell’immagine MISSION CHEOPS. Didascalia immagine L’immersione nella luce vista quando Kelt 11b attraversò la sua stella

L’Agenzia spaziale europea (Esa) fa parte della collaborazione Cheops. Il capoprogetto è il Dott. Kate Isaak.

“Abbiamo un satellite ben funzionante; il puntamento è eccellente, migliore dei requisiti. E questo sarà un vero vantaggio per la missione”, ha affermato alla BBC. “Dal lato del veicolo spaziale, dal lato dello strumento, dall’analisi dei dati che stiamo ottenendo – possiamo vedere che questa missione ha una grande promessa.”

55 Opere d'arte Cancri-e
Copyright dell’immagineESA / HUBBLE Didascalia immagine Grafica: Il mondo lavico 55 Cancri-e è uno dei tanti super-terrestri che Cheops studierà

Il professor David Ehrenreich dell’Università di Ginevra ha affermato che in alcune delle prime osservazioni  Cheope avrebbe individuato delle “super-terre”.

“Si presume che questi siano pianeti rocciosi come la Terra – anche se molto più grandi e più massicci. Sono anche molto più caldi. Mondi di lava”, ha spiegato.

55 Cancri-e rientra in questa categoria. Almeno otto volte più grande della Terra, compiono un giro di rivoluzione attorno alla stella madre in 18 ore. Gli scienziati credono che nella superficie ci sia un oceano di roccia fusa.

Il premio Nobel Prof Didier Queloz, delle università di Cambridge e Ginevra, ha affermato che l’obiettivo di Cheops è migliore delle nostre aspettative su come sono stati creati i pianeti.

Ha detto alla BBC: “Abbiamo costruito un’intera teoria della formazione dei pianeti osservando solo gli otto pianeti del nostro Sistema Solare, ma estendendo le nostre osservazioni ad altre tipologie di pianeti fuori dal nostro Sistema Solare – dovremmo aggiungere parti mancanti a questa teoria e ottenere, una prospettiva più ampia sulla formazione. ”

CHEOPS: riepilogo missione

CHEOPS che
caratterizzano ExOPlanet Satellite Fotometria ad altissima

precisione di transiti esoplanetari

Temi di visione cosmica Quali sono le condizioni per la formazione del pianeta e l’emergere della vita?
Obbiettivo primario Caratterizza gli esopianeti in transito in orbita attorno a stelle luminose ospiti
obiettivi Le stelle ospiti esopianeti conosciute con magnitudine V ≤ 12 in qualsiasi parte del cielo
lunghezza d’onda Da 0,4 a 1,1 µm
Orbita Sincronismo solare, altitudine 650-800 km, ora locale del nodo ascendente: 06:00
Tutta la vita 3,5 anni di riferimento (operazioni scientifiche)
genere Missione di classe S.

CHEOPS – CH che caratterizza E x OP lanet S atellite – sarà la prima missione dedicata alla ricerca di transiti esoplanetari eseguendo una fotometria ad altissima precisione su stelle luminose già note ai pianeti ospiti.

CHEOPS fornirà la capacità unica di determinare i raggi con un’accuratezza del ~ 10% per un sottoinsieme di quei pianeti, nella gamma di massa da super Terra a Nettuno, per la quale la massa è già stata stimata usando rilievi spettroscopici terrestri.

CHEOPS fornirà anche raggi accurati per i nuovi pianeti scoperti dalla prossima generazione di sondaggi terrestri o di transiti spaziali (dalla super-Terra alle dimensioni di Nettuno). Svelando esopianeti in transito con un alto potenziale di caratterizzazione approfondita, CHEOPS fornirà obiettivi adeguati per strumenti futuri adatti alla caratterizzazione spettroscopica di atmosfere esoplanetarie.

Sapere dove guardare e a che ora osservare rende CHEOPS lo strumento più efficiente per la ricerca di transiti superficiali e per determinare raggi accurati per i pianeti nella gamma di massa dalla super Terra a Nettuno.

Il 19 ottobre 2012 CHEOPS è stata selezionata per lo studio come prima missione di classe S in Cosmic Vision 2015-2025. La missione è stata formalmente adottata all’inizio di febbraio 2014, con la disponibilità al lancio prevista per il 2017.

La linea di base della missione CHEOPS si basa completamente su componenti con eredità di volo. Questo è valido per la piattaforma e per i componenti del payload. Per quest’ultimo, il team può sfruttare un patrimonio significativo della missione CoRoT, riducendo al minimo sia i costi che i rischi.

Obiettivi sientifici

I principali obiettivi scientifici della missione CHEOPS saranno misurare la densità apparente degli esopianeti con dimensioni / masse nella super-Terra – Nettuno in orbita attorno a stelle luminose e selezionare gli obiettivi ottimali per futuri studi di caratterizzazione approfondita degli esopianeti in questi intervalli di massa e dimensioni.

Con una conoscenza accurata delle masse e dei raggi, CHEOPS stabilirà nuovi vincoli sulla struttura e quindi sulla formazione e l’evoluzione dei pianeti in questa gamma di massa. In particolare, CHEOPS:

  • Esegui le caratterizzazioni del primo passo delle super-terre, misurando i raggi e le densità in una gamma di massa planetaria per la quale esistono solo una manciata di dati e con una precisione mai raggiunta prima, e identificando pianeti con atmosfere significative in funzione della loro massa , distanza dalla stella e parametri stellari. La presenza (o assenza) di grandi involucri gassosi porta direttamente su questioni fondamentali come l’accumulo di gas in fuga nello scenario di accrescimento centrale o la perdita di atmosfere primordiali di H / He.
  • Ottieni nuove intuizioni sui processi di fisica e formazione dei pianeti simili a Nettuno misurando raggi e densità accurati per questi pianeti, ricavando valori minimi per le loro frazioni di massa gassosa e inferendo possibili percorsi di evoluzione.
  • Fornire obiettivi adeguati per le future strutture terrestri (ad es. E-ELT) e spaziali (ad es. JWST) con capacità spettroscopiche. Con raggi e masse ben determinati, i pianeti CHEOPS costituiranno il miglior campione di obiettivi per tali studi futuri, sia all’interno del quartiere solare che si diffonderanno su tutto il cielo.
  • Sonda le atmosfere di noti “Giove caldi” per studiare i meccanismi fisici e l’efficienza del trasporto di energia dal lato giorno al lato notte del pianeta.

CHEOPS offrirà anche il 20% di tempo aperto alla comunità, che sarà assegnato attraverso una revisione scientifica competitiva.

Sonda spaziale

CHEOPS sarà un piccolo veicolo spaziale con una massa totale di lancio di circa ~ 250 kg. La linea di base è quella di utilizzare una piccola piattaforma satellitare standard con alcune modifiche. Il design del veicolo spaziale è stato consolidato nello studio di fase A / B1, che porterà anche alla selezione della piattaforma.

La missione CHEOPS sarà equipaggiata con un singolo telescopio di medie dimensioni con un’apertura di ~ 0,3 m. Tutti i requisiti della piattaforma mirano a supportare la funzionalità del telescopio e la sua altissima precisione fotometrica. Le principali implicazioni per la piattaforma sono legate alle capacità di puntamento e all’ambiente termico per il carico utile.

Il telescopio verrà montato su un banco ottico rigido, che definisce l’interfaccia con la piattaforma, e verrà disaccoppiato termicamente. Un parasole montato sulla piattaforma protegge il radiatore del piano focale e l’alloggiamento del rivelatore dall’illuminazione solare e trasporta anche pannelli solari per il sottosistema di alimentazione. Quando viene riposto per il lancio, il satellite misurerà circa 1,5 m × 1,4 m × 1,5 m.

Il veicolo spaziale sarà stabilizzato su tre assi, con una stabilità di puntamento di otto secondi durante un’osservazione scientifica di 48 ore. In modo simile alla missione CoRoT, il payload fornirà i dati del centroide dalla stella target al sistema di controllo dell’atteggiamento e dell’orbita della piattaforma, per consentire la compensazione degli errori di puntamento a bassa frequenza.

Durante ciascuna orbita, il veicolo spaziale verrà ruotato lentamente attorno alla linea di mira del telescopio per mantenere il radiatore del piano focale orientato verso lo spazio freddo, consentendo il raffreddamento passivo del rivelatore.

Carico utile

Per raggiungere i suoi obiettivi scientifici, CHEOPS sarà in grado di rilevare un pianeta delle dimensioni della Terra che transita su una stella nana G5 di 0,9 R Sole con 6 ≤ m V ≤ 9 . Poiché la profondità di tale transito è di 100 ppm, ciò richiede una precisione fotometrica di 20 ppm in 6 ore di tempo di integrazione, che corrisponde alla durata di transito di un pianeta con un periodo di rivoluzione di 50 giorni.

Questa precisione sarà raggiunta utilizzando un singolo rivelatore CCD retroilluminato a trasferimento di fotogrammi con 1024 × 1024 pixel e un passo di pixel di 13 µm. Il rivelatore sarà montato sul piano focale di un telescopio Ritchey-Chrétien di diametro ~ 33 cm, f / 8; sarà raffreddato passivamente a <233 K, con stabilità termica <10 mK.

Un’unità di elaborazione eseguirà la somma delle immagini e la riduzione dei dati. Le unità da impiegare nel payload avranno tutte un livello di prontezza tecnologica (TRL) maggiore di cinque (convalida componente e / o breadboard nell’ambiente pertinente). Il rilevatore è un componente esistente.

Operazioni

La disponibilità al lancio di CHEOPS è prevista per il 2017; lo scenario di base è un lancio condiviso come carico utile ausiliario o compagna passeggeri in Vega (adattatore VESPA) o Soyuz (sotto ASAP-S) o in altri veicoli di lancio di piccole dimensioni (ad esempio PSLV) . L’orbita di base è sincrona al sole, con un’altitudine compresa tra 650 e 800 km e un’ora locale del nodo ascendente delle 06:00.

Questa scelta consente alla parte posteriore del veicolo spaziale di essere permanentemente puntato verso il sole, è ottimale per osservazioni ininterrotte e mantiene al minimo le variazioni termiche del veicolo spaziale e del riflettore terrestre sul satellite man mano che il piano orbitale segue, il più vicino possibile, il giorno / terminatore notturno.

La pianificazione delle osservazioni verrà effettuata presso il Science Operations Center e comunicata al Mission Operations Center, dove verranno formate, verificate e collegate a monte sequenze di comando di veicoli spaziali tramite antenne di terra.

La telemetria dei veicoli spaziali verrà instradata dal Mission Operations Center al Science Data Center per la calibrazione, l’elaborazione e l’archiviazione. Si prevede che il Centro operativo della scienza sarà di competenza dell’Università di Ginevra e che il Centro operativo della missione sarà di competenza dell’ESA.

Il budget dei dati per CHEOPS è stimato a 1,2 Gb / giorno. Un sistema in banda S è attualmente in linea per il downlink dei dati, la telemetria e il telecomando. Una durata della missione di 3,5 anni in orbita è prevista per consentire l’esecuzione del programma di base proposto, con un’assegnazione del 20% del tempo di osservazione aperto a tutta la comunità scientifica.

Intervista a Roberto Ragazzoni (Inaf Padova), astrofisico del team di Cheops, sulla conclusione della fase di commissioning della sonda Esa per la caratterizzazione degli esopianeti – che ha visto il telescopio funzionare al di là delle migliori attese – e sull’inizio della campagna scientifica vera e propria.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Homepage di CHEOPS ESA
  2. La homepage di CHEOPS include il monitoraggio orbitale del veicolo spaziale CHEOPS
  3. L’Europa inizierà la ricerca di pianeti abitabili nel nostro cortile cosmico , 22 ottobre 2012, Stuart Clark, The Guardian
  4. Visualizzazione missione CHEOPS – video
  5. Tracciamento orbitale
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