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Le sonde Voyager stanno studiando i raggi cosmici nell’eliopausa

Le informazioni inviate a Terra dalle due sonde Voyager riscrivono ciò che pensavamo di sapere dei raggi cosmici e delle interazioni tra l’eliosfera e lo Spazio interstellare. La pressione che i raggi cosmici esercitano sul Sistema Solare non è quella che ci si aspettava in base alle nostre conoscenze: questa scoperta mette in discussione alcune ipotesi condivise sulle loro caratteristiche. I raggi cosmici sono un insieme di particelle: elettroni, protoni, ioni (atomi senza uno o più elettroni) e altre forme di energia che arrivano dalle profondità dello Spazio intergalattico. Sono il risultato di materiale espulso da stelle esplose o da altri fenomeni ad altissima energia che si verificano nella nostra galassia. Questo zoo di particelle permea la Via Lattea e, di conseguenza, il Sistema Solare.

I raggi cosmici vengono in parte bloccati ai confini del Sistema Solare dal materiale espulso dal Sole: questo materiale dà origine a una specie di immensa bolla più ovoidale (“schiacciata” nella direzione del moto del Sole attraverso la Galassia) che sferica, e che dividiamo in regioni. Nella zona più periferica c’è la regione che chiamiamo eliosfera (o elioguaina: heliosheath in inglese, v. illustrazione), il cui confine esterno è l’eliopausa (heliopause), una sorta di guscio nebuloso che fa da zona di transizione tra eliosfera e Spazio profondo.

La fisica ai confini del Sistema Solare
Schema indicativo della posizione delle due sonde Voyager nel 2012, quando, a quattro mesi di distanza l’una dall’altra, hanno inviato a Terra misure prese nella Global Merged Interaction Region (GMIR), dove si era scaricata l’energia di un’eruzione solare. I dati hanno permesso agli scienziati di calcolare la pressione nell’eliosfera. Nell’illustrazione: eliosfera (heliosheath), la gigantesca bolla magnetica che contiene il Sistema Solare, il campo magnetico solare e il vento solare; eliopausa (heliopause), il confine esterno dell’eliosfera; il termination shock è la regione dove il vento solare rallenta fino a velocità subsoniche. | NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER / MARY PAT HRYBYK-KEITH

Grazie alle due sonde Voyager, che si trovano nei dintorni di quelle regioni, stiamo ottenendo informazioni sullo scontro tra i raggi cosmici e il materiale dell’eliopausa che ci fa da primo scudo: informazioni che raccontano un quadro inedito e inatteso sui raggi cosmici. «Le Voyager hanno messo in luce pressioni dei raggi cosmici che non erano previste», spiega Jamie Rankin (Università di Princeton), che ha lavorato su questa ricerca per la NASA: «per questo non è da escludere che là fuori esistano intere “popolazioni” di particelle mai considerate prima. Tutto questo apre una nuova frontiera di studi e ricerche.»

La fisica ai confini del Sistema Solare
Bow wave: l’insieme delle energie del plasma interstellare, dove si forma un’onda d’urto (bow shock) dovuta al moto del Sistema Solare (dell’intera eliosfera) attraverso la Via Lattea. | NASA / IBEX / ADLER PLANETARIUM

Al di là della scoperta, curioso è il modo con il quale ci si è arrivati, grazie cioè a due sonde lanciate nel 1977: la Voyager 1, che si trova già oltre l’eliopausa, a circa 20 miliardi di chilometri di distanza dalla Terra, e la Voyager 2, che si trova ancora all’interno dell’eliopausa. In occasione di una grande emissione di particelle dal Sole (un’eruzione solare avvenuta nel 2012) arrivate fino all’eliopausa, la Voyager 2 ha registrato una diminuzione dei raggi cosmici galattici tutt’attorno alla navicella e in tutte le direzioni, mentre la Voyager 1 ha registrato una diminuzione dei raggi cosmici solo lungo la direzione del campo magnetico in quell’area.

Questa situazione così diversa racconta che c’è qualcosa che avviene mentre i raggi cosmici attraversano il confine del Sistema Solare e che ancora ci sfugge: capirlo, sostengono gli scienziati, può aiutarci a conoscere meglio le caratteristiche del materiale espulso dal Sole (che potrebbe influenzare ciò che gli strumenti delle sonde registrano) e conseguentemente come la nostra stella influenzi l’eliosfera. E potrà probabilmente anche darci nuove informazioni sui raggi cosmici.

Il Gran Tour delle Voyager e delle Pioneer

La doppia coppia di sonde gemelle Voyager e Pioneer sono in viaggio nello Spazio interstellare… verso dove? Per quanto tempo? Negli anni Novanta le sonde Pioneer 10 e 11 (lancio: marzo 1972 e aprile 1973) furono le prime missioni robotiche ad affacciarsi oltre Nettuno. Nel 2012 e nel 2018 le sonde Voyager 2 e 1 (lancio: agosto e settembre 1977) attraversarono l’eliopausa, varcando così ufficialmente il confine con lo Spazio interstellare – e presto saranno seguite dalle due Pioneer.

Dove vanno le sonde Voyager e Pioneer? Uno studio che pare poco più che un gioco fa riflettere su quanto tempo richiedono i viaggi interstellari, che un giorno, volenti o nolenti, la nostra specie dovrà intraprendere, ben prima che il Sole alla fine della sua esistenza diventi così gigantesco da impedire ogni forma di vita sulla Terra.

Le quattro sonde, su strade diverse, prima o poi potrebbero raggiungere altri sistemi solari con il loro carico speciale: nessuna potrà più comunicare con la Terra (le Pioneer sono già isolate), ma potranno raccontare a chiunque ci sia là fuori da dove sono arrivate e com’è la vita sul pianeta da cui sono partite.

sonde Pioneer, Pioneer Plaque
La placca delle Pioneer (Pioneer Plaque), il primo messaggio fisico lanciato nell’ignoto. A sinistra: la posizione del Sole rispetto a 14 pulsar; a destra: un uomo e una donna in scala con la sonda; in basso: il percorso delle Pioneer nel Sistema Solare. | NASA / CARL SAGAN, FRANCIS DRAKE

Dato che fin dall’origine erano concepite per diventare messaggeri interstellari, dopo aver dato un’occhiata ai pianeti esterni del nostro sistema, portano dei messaggi: placche (le Pioneer) e videodischi (le Voyager) che mostrano a un eventuale navigatore extraterrestre qual è la posizione del nostro pianeta nella Galassia e come è fatta la vita sulla Terra.

Videodischi con immagini, parole e musiche del nostro pianeta… che probabilmente neppure noi riusciremmo più a leggere, costruiti per una tecnologia che forse non troveremmo più neppure nelle discariche. Sapranno leggerli gli alieni? Se la cosa vi preoccupa, sappiate che c’è chi lavora a un nuovo messaggio per alieni.

Il disco d'oro a bordo delle sonde Voyager
Il videodisco (d’oro) a bordo delle sonde Voyager (per saperne di più). | NASA / CARL SAGAN
Quali stelle e sistemi visiteranno le sonde nei secoli e nei millenni a venire? Alla risposta hanno lavorato Coryn Bailer-Jones (Max Planck Institute for Astronomy, Germania) e Davide Farnocchia (Jet Propulsion Lab., CalTech, Usa), che hanno poi pubblicato i risultati dello studio su Research Notes, rivista dell’American Astronomical Society. Le proiezioni sul viaggio delle sonde sono state elaborate utilizzando i dati (estremamente precisi) di posizione e velocità di 7,2 milioni di stelle rilevati dal satellite Gaia e di velocità di altre 220.000 stelle registrate nel database astronomico SIMBAD.

«Le Pioneer e le Voyager continueranno a vagare per miliardi di anni nella nostra galassia: è improbabile che impattino con qualche oggetto e tutt’al più potrebbero risentire della gravità di qualche astro ed essere deviate dalla traiettoria ipotizzata», spiega Coryn Bailer-Jones.

I due ricercatori hanno analizzato i moti delle stelle più vicine alla nostra nei prossimi secoli e le traiettorie e velocità delle sonde: i dati mostrano che le viaggiatrici avranno più di una possibilità di passare vicino a più di una stella a meno di 3 anni luce da loro da qui alla fine del millennio. Entrambe le Voyager e la Pioneer 11 “rasenteranno” infatti Proxima Centauri, il sistema stellare a noi più vicino (4,3 anni luce), che ha anche un pianeta potenzialmente abitabile (Proxima b, il Piccolo Punto Rosso) e almeno un altro pianeta, di recente scoperta, Proxima c.

Un’altra destinazione futura, tra centinaia di migliaia di anni, sarà la stella Ross 248, una nana rossa, a circa 10 anni luce dalla Terra nella costellazione di Andromeda: Voyager 2 e Pioneer 10 dovrebbero transitare a circa 2,8 anni luce dalla stella. Gliese 445, un’altra nana rossa a 17,6 anni luce dalla Terra, nella costellazione Camelopardalis, attende invece Voyager 1 e Pioneer 11: “attende” per modo di dire, visto che viaggia in direzione del Sole (e va loro incontro) a 400.000 chilometri all’ora.

L’eliopausa

Gli strati di Spazio attorno alla Terra e fino alla Luna, la fascia degli asteroidi, l’eliosfera, la Nube di Oort: le regioni del Sistema Solare. Vedi anche: dalle meteore ai planetesimi. Il Sistema Solare è soltanto un piccolo mucchio di polvere rapportato all’intero Universo, ma incredibilmente vasto rapportato a noi o anche all’intero pianeta Terra. Con il glossario degli oggetti del Sistema Solare abbiamo raccontato di meteore, planetoidi, planetesimi e altri oggetti che ci circondano: in questa occasione parliamo delle regioni dello Spazio attorno a noi, dalla Terra ai confini del nostro sistema.

Attorno alla Terra, oltre l’atmosfera, si trova lo Spazio. Il confine fra Spazio e atmosfera terrestre non è netto, ma per convenzione si fa iniziare lo Spazio esterno a 100 km dal livello del mare: il confine è la linea di Kármán. Per un principio di precauzione i primi satelliti artificiali si incontrano solo al doppio della distanza: dai 200 ai 2.000 km di altezza troviamo l’orbita bassa, la zona in cui orbitano la maggior parte dei satelliti artificiali, come Hubble, e la Stazione spaziale internazionale.

linea di Kármán, spazio esterno, confini dello spazio
L’atmosfera terrestre dalla ISS, che orbita a circa 400 km di altezza.

Il limite superiore dell’orbita bassa si trova all’interno delle fasce di Van Allen, che sono due (fascia interna e fascia esterna) e che, anche loro, non ci permettono di definire precisi confini di influenza tra ciò che è “Terra” e ciò che non lo è più. Insieme, le due fascie formano una grande regione di Spazio modellata dal campo magnetico terrestre a forma di ciambella, dove, nel “buco”, c’è il nostro pianeta. La prima è costituita da elettroni e ioni ad alta energia, la seconda da elettroni ad alta energia: si tratta dunque di una regione altamente reattiva da un punto di vista energetico, seppure in modo non omogeneo, dove non è salutare sostare a lungo – neppure con satelliti o sonde senza equipaggio. Proviamo a dare delle misure. La fascia interna va dai 1.000 ai 6.000 km di altezza, ma in concomitanza con un intensa attività solare può “scendere”, estendendosi fino a 200 km di quota sul livello del mare. La fascia esterna si stende da circa 10.000 a circa 65.000 km dalla superficie (ossia oltre 10 raggi terrestri), ma la zona più intensa da un punto di vista energetico va da 14.000 a 19.000 km dalla superficie. Finora, gli unici uomini ad aver superato questa prima barriera sono gli astronauti delle missioni Apollo in viaggio verso la Luna.

Senza uscire dalla sfera di influenza della Terra, a circa 36.000 km dalla superficie sono posizionati i satelliti che, per rimanere in orbita, compiono un giro attorno al pianeta ogni 24 ore: sono in orbita sincrona rispetto al nostro pianeta. Questa traiettoria, tipica dei satelliti meteo e per le telecomunnicazioni, prevede due posizioni. Un satellite in verticale sull’equatore è in orbita geostazionaria: vedrà sempre la stessa, ampia porzione di Terra; se invece si trova su di una traiettoria inclinata rispetto all’equatore segue un’orbita geosincrona: passerà periodicamente sempre sulla stessa porzione di Terra.

Tutte queste regioni, e fino all’orbita della Luna (a circa 384.400 km dalla Terra), sono all’interno dello spazio cislunare (letteralmente: al di qua della Luna rispetto alla Terra). Tra Terra e Luna, a circa 345.000 km da noi, c’è una regione di Spazio dove la forza di attrazione gravitazionale dei due corpi si equilibrano: è qui che la Nasa, l’Esa e un nutrito consorzio di altre agenzie pensano di allestire una stazione spaziale, il Deep Space Gateway, dove condurre test su tecnologie ed equipaggi prima di attuare il piano di colonizzazione della Luna e, in un secondo tempo, il primo viaggio umano nello spazio interplanetario, alla volta di Marte.

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A dispetto del nome, la fascia principale degli asteroidi non è la regione in cui risiedono più asteroidi: la fascia di Kuiper ne ha almeno 20 volte tanti. Il suo nome è usato per distinguere questi asteroidi dai pochi che viaggiano liberi fra le orbite dei pianeti. Quelli che passano più vicini alla Terra saranno interessanti per la creazione di miniere. | SHUTTERSTOCK
In viaggio verso l’esterno del Sistema Solare, superato Marte si trova un’altra fascia: non è piena di particelle cariche, come le Van Allen, ma di asteroidi – altrettanto pericolosi per un viaggiatore. È la fascia principale degli asteroidi, che circonda il Sole fra le orbite di Marte e di Giove, da 228 a 778 milioni di km dal Sole. Anche di questa regione è difficile, se non impossibile, definire i confini, ma questo ormai non dovrebbe sorprendervi.

Esprimere le distanze in km comincia a diventare scomodo: a questa scala, l’unità di misura preferita è l’Unità Astronomica (UA), intesa come la distanza media Terra-Sole, ossia 149.597.870,700 km, che per praticità arrotondiamo a 150 milioni di km. Marte si trova in media a 1,56 UA, mentre Giove a 5,21 UA.

Dal Sole alla fascia principale degli asteroidi siano rimasti nel Sistema Solare interno, che comprende i pianeti rocciosi. Oltre la fascia degli asteroidi si parla di Sistema Solare esterno, dove troviamo sia i giganti gassosi, sia la fascia di Kuiper: una regione piena di piccoli corpi celesti ghiacciati dall’orbita di Nettuno (30 UA) fino a 50 UA dal Sole.

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Un Planetario della metà del XVIII secolo. Le orbite dei pianeti si trovano su piani inclinati fra loro di massimo 10°. | FONDAZIONE TORINO MUSEI – PALAZZO MADAMA
 Fin qui, la stragrande maggioranza dei corpi celesti (pianeti, lune e asteroidi) si trova all’incirca sullo stesso piano orbitale. Un riferimento spesso adottato per parlare del disco del Sistema Solare è il piano dell’eclittica, ovvero la superficie che la Terra descrive girando attorno al Sole. Prolungando il piano dell’eclittica verso l’esterno troviamo le costellazioni zodiacali, che, viste dalla Terra, fanno da sfondo al passaggio del Sole, dei pianeti e della Luna. Allontanandoci di 80-100 UA dal Sole arriviamo all’eliopausa, considerata il confine del Sistema Solare. Prima di questa frontiera lo Spazio è dominato dalle particelle energetiche emesse dal Sole, il cosiddetto vento solare (composto soprattutto di elettroni e protoni). Oltre l’eliopausa si trova invece lo spazio interstellare, ovvero la regione in cui domina la radiazione cosmica e in cui si trovano gas e polveri a formare il cosiddetto mezzo interstellare.
Sistema Solare in scala logaritmica.
Un modello in scala logaritmica del Sistema Solare. I numeri (1, 10, 100…) indicano le unità astronomiche di distanza dal Sole. | NASA

Se oltre l’eliopausa finisce l’influenza magnetica del Sole, la sua influenza gravitazionale continua oltre, fino alla cosiddetta nube di Oort: una enorme sfera che circonda il Sistema Solare come fosse un guscio, da 1.000 a 100.000 UA, e che si ritiene ospiti migliaia di corpi celesti freddissimi. Questi oggetti non sono mai stati osservati direttamente, ma si pensa che sia proprio da lì che quelle comete piene di ghiaccio piombino nel Sistema Solare inaspettate e da ogni direzione (anche da fuori l’eclittica).

I corpi celesti che compongono la nube di Oort non possono essere visti da Terra semplicemente perché troppo lontani, tanto lontani che oltre questo limite è meglio iniziare a usare un’altra unità di misura, l’anno luce – che corrisponde alla distanza percorsa in un anno viaggiando alla velocità della luce, circa 300’000 km/s. A 4,36 anni luce dal Sole troviamo la stella a noi più vicina, Alfa Centauri.

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Se troppo vicino alla propria stella l’acqua è solo gassosa, troppo lontano si ghiaccia.

Si pensa che anche le altre stelle abbiano una loro Nube di Oort piena di corpi ghiacciati, troppo piccoli e troppo lontani per essere visti. Anche gli esopianeti sono invisibili all’osservazione diretta, perché troppo piccoli e poco luminosi: li troviamo solamente cercando le piccole fluttuazioni di luminosità delle stelle, dovute al transito del pianeta davanti a loro (e infatti si chiama metodo del transito). La ricerca di questi oggetti diventa più interessante là dove è possibile che sulla superficie del pianeta ci sia acqua allo stato liquido: attorno a una stella, questa regione è detta fascia di abitabilità (o zona abitabile) e le sue dimensioni variano a seconda della temperatura della stella stessa. Gli esopianeti all’interno della fascia di abitabilità delle loro stelle sono i migliori candidati per la ricerca della vita.

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