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Mercurio: l’esplorazione di BepiColombo

Mercurio è il pianeta più piccolo, vicino al Sole e attualmente inospitale del nostro Sistema solare, eppure una recente ricerca scientifica americana azzarda l’ipotesi impossibile.

Sulla superficie esterna, no, ma magari appena sotto la crosta sì, potevano esserci le condizioni per la vita, qualche miliardo di anni fa. E si potrebbero ancora trovarne le tracce bioarcheologiche. Questa la straordinaria, nonché per ora azzardata ipotesi, avanzata dai ricercatori del Planetary Science Institute, guidati dal dottor Alexis Rodriguez.

Mercurio è il pianeta più piccolo del Sistema solare e anche il più vicino al nostro Sole; con un’escursione termica tra il giorno e la notte tale che non potrebbe permettere a nessuna forma di vita di esistere, almeno per come conosciamo la vita sulla Terra e presumiamo la vita possa esistere in generale.

Eppure un tempo gli ingredienti della vita ci potevano essere, per lo meno nello strato al di sotto di quella inospitale crosta superficiale, dice questa ricerca finanziata per altro in parte anche dalla NASA.

“I vasti terreni collassati su Mercurio potrebbero essere finestre di antichi – possibilmente abitabili – materiali ricchi di volatili”, questo il titolo dello studio che, tradotto così, necessita ovviamente di una spiegazione per essere compreso dai non addetti ai lavori.

mercurio messenger
Il pianeta Mercurio ripreso dalla sonda Messenger della Nasa. Crediti: Nasa/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

​Studiando il terreno ricoperto di crateri di Mercurio, grazie ai dati della sonda Mariner della NASA del 1974, ma soprattutto alle mappature della più recente missione Messenger, gli scienziati hanno notato che le cosiddette ‘zone caotiche’ del pianeta (zone di affondamento irregolare del terreno) erano state con ogni probabilità generate dalla presenza di grandi quantità di composti volatili.

I composti volatili a loro volta non sono altro che tutti quegli elementi e composti chimici che possono cambiare rapidamente stato, tra questi si presume possano essere presenti elementi favorevoli alla vita, per lo meno in forma rudimentale. Questi materiali leggeri avrebbero potuto costituire delle ‘nicchie’ capaci anche di tenere al riparo gli elementi organici dalle furiose intemperanze ed escursioni termiche del pianeta.

“I risultati indicano che Mercurio aveva una spessa crosta ricca di sostanze volatili, anche se non necessariamente anche di acqua”, ha detto Rodriguez, “I terreni caotici di Mercurio rivelano una storia di ritenzione e perdita di materia volatile nel Sistema solare più interno. La temperatura superficiale di Mercurio raggiunge i 430 gradi Celsius durante il giorno e, in assenza di atmosfera, precipita a -180 gradi Celsius durante la notte. Quindi, i suoi ambienti di superficie sono stati giustamente esclusi dalla considerazione scientifica come possibile schiera di vita. Tuttavia, il documento solleva la possibilità che alcune regioni sotterranee del pianeta abbiano in passato mostrato la capacità di ospitare la vita”, ha concluso Rodriguez. Mostrando non poco azzardo e ottimismo.

Informazioni su Mercurio

Mercurio è di sicuro il pianeta più “eccentrico” del Sistema solare. E non parliamo solo della sua orbita, meno circolare rispetto a quella degli altri pianeti. Un’orbita tanto peculiare da essere usata da Albert Einstein per verificare le previsioni della sua teoria della Relatività generale ed essere stata al centro del dibattito scientifico di inizio secolo.

È un pianeta “terrestre”, il più piccolo e più vicino al Sole: la sua superficie sperimenta la maggiore escursione termica tra tutti i pianeti, con temperature che nelle regioni equatoriali sfiorano i 427 °C di giorno e arrivano a -173 °C di notte.

Il suo nome deriva dalla tradizione degli antichi astronomi di Babilonia passando per la cultura greca che, associando le caratteristiche dei diversi pianeti alle peculiarità degli dei dell’Olimpo, scelse per il pianeta più rapido quello del messaggero degli dei dai calzari alati.

A Roma il dio divenne anche protettore dei ladri, della destrezza, ma in questo il pianeta non gli somiglia: non ha avuto abbastanza “peso” da tenersi un’atmosfera, che avrebbe potuto mitigare gli effetti della vicinanza al Sole. Per via della piccola massa, infatti, esercita una forza di gravità che non è in grado di trattenere attorno a sé le particelle di gas che costituiscono un’atmosfera.

Il suo fascino ha colpito tanti, da Isaac Asimov, che lo ha scelto per ambientare alcune delle sue storie, a Farrokh Bulsara, che potrebbe aver deciso di diventare Freddie Mercury proprio per via del pianeta, come suggerirebbe la cultura zoroastriana della famiglia. O forse nella sua scelta c’entra il fatto che a Tunguu, vicino alla città di nascita Stone Town, nel 1960 la Nasa costruì un satellite che tracciava stazioni spaziali, nell’ambito del Programma Mercury.

Il transito di Mercurio osservato Pierre Gassendi nel 1631. Fonte: Mercurius in sole visus, 1656
Il transito di Mercurio osservato Pierre Gassendi nel 1631. Fonte: Mercurius in sole visus, 1656

Mercurio fu visitato per la prima volta nel 1974 dalla sonda statunitense Mariner 10, che teletrasmise a terra fotografie registrate nel corso di tre successivi sorvoli.

Oggi che gli strumenti di cui disponiamo sono immensamente più sofisticati la comunità scientifica è in attesa delle informazioni ci verranno dalla missione Esa/Jaxa BepiColombo, partita alla volta di Mercurio nel 2018 per studiarne l’origine, l’evoluzione, il moto, analizzarne le caratteristiche planetologiche, individuare l’origine del campo magnetico e validare ancora una volta le previsioni della teoria della Relatività generale di Einstein.

A causa delle difficoltà di osservazione, Mercurio è stato per lungo tempo un pianeta poco studiato. Il primo a tentare di cartografarne la superficie fu – verso la fine del XIX secolo – Giovanni Virginio Schiaparelli. L’astronomo italiano fu anche il primo a ipotizzare che il periodo di rotazione di Mercurio fosse uguale al suo periodo di rivoluzione, di poco inferiore a 88 giorni terrestri.

Molteplici sono le informazioni che nel corso dei secoli sono state raccolte grazie alle osservazione sui transiti che il pianeta compie davanti al Sole. Il transito è un fenomeno raro che si verifica quando dal nostro punto di vista Mercurio si trova in direzione della nostra stella, avendo un’orbita più interna di quella terrestre.

Transito di Mercurio
Transito di Mercurio sul disco solare dell’ 11 novembre 2019. Le sue dimensioni apparenti, sono solo 1/194 del diametro apparente del Sole. Più che di eclissi in questo caso si parla di transito.

Insieme a Venere è l’unico pianeta del quale si possa osservare un transito dalla Terra, ma mentre per Venere ciò avviene con coppie di transiti a distanza di 8 anni separate tra loro da oltre cento anni, quello di Mercurio può essere osservato più di frequente, 13-14 volte ogni secolo.

Il primo transito di Mercurio fu previsto da Keplero, sulla base di accurati calcoli astronomici, e osservato il 7 novembre 1631 da Pierre Gassendi, scienziato e filosofo del Seicento. All’epoca della prima osservazione, si scoprì che Mercurio aveva una dimensione molto inferiore a quella attesa (circa 6 volte più piccola del previsto), tanto che Gassendi pensò inizialmente di aver osservato una macchia solare. Durante un transito è possibile effettuare misurazioni uniche della sottile esosfera del pianeta. Risale al 1985 la scoperta della presenza di sodio nell’esosfera di Mercurio, ma bisogna aspettare fino al 2003 per ottenere i primi dati dettagliati, raccolti durante un transito.

Il transito del pianeta sul disco solare garantisce l’eccezionale occasione di osservare l’intera circonferenza del terminatore simultaneamente. Nel corso degli ultimi transiti sono state pianificate numerose campagne osservative allo scopo di acquisire informazioni accurate.

Informazioni ricavate sui transiti

l mattino del 7 novembre 1631 l’astronomo francese Pierre Gassendi osservò e documentò per la prima volta un transito di Mercurio di fronte al Sole. In una stanza buia, utilizzò un piccolo telescopio per proiettare l’immagine della nostra stella su uno schermo e seguire il moto di quel puntino nero sul suo disco. Dopo quel giorno, sono avvenuti altri 53 transiti, l’ultimo dei quali è avvenuto nella l’11 novembre 2019.

In generale, un transito è il passaggio di un pianeta tra noi e il Sole. Venere e Mercurio sono gli unici pianeti ad avere orbite più strette di quella terrestre, e perciò sono gli unici che noi abitanti della Terra possiamo veder transitare (su Marte, per esempio, potremmo osservare anche i transiti della Terra).

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Le date dei transiti sono diverse a seconda del pianeti da cui li si guarda: queste immagini sono state ottenute nel 2014 dal rover Curiosity dalla superficie di Marte, ma in quell’anno non c’è stato alcun transito di Mercurio visibile dalla Terra (foto: Nasa/Jpl)

C’è di più: se l’orbita del pianeta è inclinata rispetto a quella terrestre, l’allineamento Sole-Pianeta-Terra che permette di ammirare il transito può avvenire solo di rado, e solo in alcuni specifici momenti dell’anno. In particolare, Mercurio può transitare davanti al disco solare attorno all’8 maggio e al 10 novembre per un totale di 13 o 14 volte al secolo.

Lo scorso transito è avvenuto il 9 maggio 2016, e il prossimo avverrà il 13 novembre 2032. Non è un evento rarissimo, quindi, ma abbastanza raro da non poterselo perdere.

Quando si verifica un transito di Mercurio, gli occhi e gli strumenti degli appassionati sono tutti puntati verso il Sole, attirati dalla bellezza dell’evento. Ma oltre a questa bellezza, il transito permette e ha permesso in passato, di condurre alcuni esperimenti scientifici unici. Di seguito alcuni degli esempi storicamente più rilevanti.

Misura delle dimensioni del Sistema solare

Chi ama la montagna lo sa bene, se non si hanno punti di riferimento di dimensione nota, come un albero o una casa, si ha difficoltà a capire le distanze e le dimensioni reali di un paesaggio. E quando si parla di astronomia, dove non si trovano neanche alberi o case, il problema diventa tutt’altro che banale.

Un modo per misurare una distanza è quella di usare il metodo della parallasse: se guardiamo un oggetto chiudendo prima un occhio e poi l’altro, sembrerà che la sua posizione vari rispetto allo sfondo, perché i due occhi osservano da due punti diversi dello spazio, fatto che si può sperimentare facilmente ed economicamente usando un dito e una parete (provare per credere). Conoscendo la distanza tra gli occhi e applicando un po’ di geometria è possibile calcolare la distanza dell’oggetto (il dito).

Lo stesso procedimento si può applicare osservando un corpo celeste da due punti diversi della Terra, e misurando come la sua posizione sembri variare rispetto a un riferimento sullo sfondo. Per esempio il corpo celeste potrebbe essere Mercurio e il riferimento il disco solare: con il metodo della parallasse si riesce a calcolare la distanza tra la Terra e Mercurio.

A quel punto il gioco è fatto: con le leggi di Keplero si calcolano le distanze dei vari pianeti relativamente alla distanza della Terra dal Sole (per esempio Mercurio ha un’orbita che è circa un terzo di quella terrestre), e grazie alla conoscenza della distanza assoluta tra la Terra e Mercurio si ha la chiave per calcolare tutte le distanze nel Sistema solare.

Questo metodo fu ideato nel 1716 dall’astronomo inglese Edmund Halley (ben più famoso per la cometa che porta il suo nome) e applicato a un transito di Venere. In realtà ormai questo modo di misurare le distanze si può considerare superato, perché è possibile usare metodi più accurati per calcolarle, come effettuare una misura del tempo che un segnale radio impiega a viaggiare tra la Terra e una sonda interplanetaria.

L’8 giugno 2004, un raro evento fu visibile dalla Terra. Per la prima volta in 122 anni Venere passò davanti al disco del Sole in un cosiddetto transito. Il transito durò circa 6 ore e fu visibile dalla maggior parte dell’Europa, dell’Africa e dell’Asia.

Studio dell’esosfera di Mercurio

Quando la luce passa attraverso un gas, ne risulta modificata, e il modo in cui avviene tale modificazione ci fornisce informazioni riguardo le proprietà di quel gas, perché ogni sua molecola lascia una firma peculiare sulla luce che vi filtra.

Per esempio, quando un pianeta extrasolare transita di fronte alla sua stella, possiamo studiare come la luce vari passando attraverso la sua atmosfera e capirne così numerose caratteristiche, come la composizione.

In passato si riteneva che Mercurio non avesse alcun tipo di atmosfera, ma i dati della sonda Mariner 10 nel 1974 e quelli della Messenger nel 2008 hanno dimostrato il contrario. Non si tratta di una vera e propria atmosfera, ma più propriamente di una esosfera, un sottile e tenue strato di gas (ossigeno, idrogeno, elio, sodio e potassio) la cui origine non è ancora del tutto chiara e la cui comprensione è non a caso uno degli obiettivi della missione BepiColombo.

I transiti permettono di studiare nel dettaglio la composizione di questa esosfera, proprio analizzando la variazione della luce solare che vi passa prima di giungere ai nostri strumenti.

Studio dell’effetto Black-Drop

La maggior parte delle misure legate ai transiti planetari deve fronteggiare un problema: la definizione del momento esatto in cui il pianeta supera il bordo del Sole. Uno dei maggiori ostacoli è il cosiddetto effetto Black-Drop (che suona più o meno come goccia oscura), ossia il fatto che quando il pianeta si trova appena dentro al bordo del disco la sua sagoma risulta allungata verso l’esterno, come una goccia che cerca di rimanere agganciata all’oscurità interplanetaria.

Di nuovo, come nel caso della parallasse, si può ottenere un effetto simile usando le sole dita e i propri occhi: guardando contro luce i polpastrelli di indice e pollice che si avvicinano, sembrano toccarsi prima che si tocchino veramente.

Oggi, grazie agli studi effettuati sui transiti, si ritiene che il Black-Drop debba trovare risposta nei processi di diffrazione, gli effetti ottici che si originano quando la luce si scontra con ostacoli o deve passare in aperture come quelle delle ottiche dei telescopi, e nei processi di oscuramento al lembo, ossia nel fatto che il bordo più esterno del disco solare risulti meno luminoso delle porzioni più interne, perché quando lo si guarda si stanno guardando solo gli strati esterni della nostra stella e non il nucleo in cui gran parte dell’energia luminosa viene prodotta.

Esplorazione di Mercurio

L’esplorazione di Mercurio è avvenuta per mezzo di sonde spaziali semiautomatiche. Ad oggi solo due sonde, entrambe della NASA, hanno compiuto osservazioni ravvicinate di Mercurio, la Mariner 10, nel 1974-1975, e MESSENGER, che è entrata in orbita attorno al pianeta il 18 marzo 2011, dopo averlo sorvolato tre volte nel biennio 2008-2009.

L’ESA e la JAXA avevano programmato di lanciare nell’agosto 2015 una missione congiunta, denominata BepiColombo, ma a seguito di vari spostamenti, il lancio è avvenuto il 20 ottobre 2018. Paragonato agli altri pianeti del Sistema solare interno, Mercurio è difficile da esplorare: sia perché è difficile da raggiungere, sia a causa delle difficoltà tecniche che insorgono nel controllo termico della sonda alla distanza dal Sole alla quale orbita il pianeta.

La missione Messanger

La missione NASA MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging) è stata lanciata il 3 agosto 2004 ed è stata progettata per studiare le caratteristiche e l’ambiente del pianeta Mercurio. Il 18 marzo 2011 è entrata in orbita ermeocentrica.

Gli obiettivi scientifici della missione consistevano nello studiare la composizione chimica della superficie, la sua storia geologica, la natura del suo campo magnetico, la dimensione e le caratteristiche del nucleo, la natura dell’esosfera e della magnetosfera.

La missione primaria durò un anno terrestre, ma tale limite è stato ampiamente superato per una durata complessiva di oltre 4 anni, concludendosi il 30 aprile del 2015 con lo schianto programmato sulla superficie di Mercurio.

Messenger è stata la prima sonda a tornare su Mercurio 35 anni dopo la sonda Mariner 10, l’ultima ad aver studiato il pianeta nel 1975. La sonda MESSENGER presentava moltissimi miglioramenti nella scansione della superficie, con camere con risoluzione di 18 metri (la sonda Mariner 10 aveva una risoluzione di 1 km), ed effettuò per la prima volta una ripresa completa del pianeta mentre Mariner 10 riuscì ad osservare solo un emisfero.

Queste sono le migliori immagini che abbiamo di Mercurio. Prese dalla missione Messenger della Nasa, nella prima metà dello scorso decennio, rivelano un pianeta dalla superficie punteggiata di crateri e di caratteristiche misteriose.

Ora tocca alla missione congiunta europea e giapponese BepiColombo completare il lavoro.

I misteri di Mercurio con BepiColombo

​”Con BepiColombo finalmente avremo il quadro completo di Mercurio – spiega Jörn Helbert del Centro aerospaziale tedesco (Dlr). Con Messenger abbiamo visto l’emisfero settentrionale, a tratti molto bene, e molto male l’emisfero meridionale, perché eravamo lontani. Gli scienziati planetari stanno impazzendo, perché hanno visto quella parte e non sanno se il resto sia uguale o completamente diverso”.

​C’è molto da imparare su Mercurio, perché la maniera in cui è evoluto non corrisponde a quello che sappiamo degli altri pianeti.

Alla scoperta dei misteri di Mercurio con BepiColombo

Esa e Jaxa, l’Agenzia spaziale giapponese, hanno unito le forze per risolvere i misteri di Mercurio. Le due agenzie hanno ciascuna una sua sonda a bordo di BepiColombo. Voleranno insieme verso Mercurio, in un viaggio destinato a durare sette anni intorno a Venere e il Sole, prima di entrare in orbita.

Un viaggio pieno di insidie, dice Johannes Benkhoff dell’Esa: “Mercurio ha la peculiarità di essere un pianeta che ruota molto velocemente intorno al Sole. Quindi da un lato dobbiamo frenare contro la gravità del Sole, ma dall’altro la nostra navicella deve poter volare alla stessa velocità di Mercurio. Una volta lì poi potremo mettere i nostri due orbiter nell’orbita dedicata a fare il loro lavoro per la scienza”.

Animazione che mostra il viaggio di BepiColombo un viaggio di 7.2 anni verso Mercurio. Questa animazione si basa su una data di lancio del 5 ottobre 2018, che segna l’inizio della finestra di lancio. Illustra gli assist gravitazionali che i veicoli realizzeranno con la Terra, Venere e Mercurio prima di arrivare a Mercurio nel dicembre 2025.

Nell’orbita di Mercurio le due sonde si separeranno: quella dell’Esa volerà vicino al pianeta, mentre quella della Jaxa osserverà da lontano.

A bordo ci sono 16 strumenti in totale, più che in qualunque altra missione precedente su Mercurio. Un altimetro laser servirà per scansionare crateri, vallate e pianure. “Intendiamo realizzare una mappa a tre dimensioni – spiega Hussmann.

Scansioneremo l’intera superficie di Mercurio con il laser e con le informazioni sull’orbita e sul comportamento della sonda, potremo ricostruire la topografia della superficie, quindi avremo un vero modello in 3D della superficie”.

Un modello che sarà usato per studiare uno degli aspetti più misteriosi di Mercurio: il pianeta si starebbe rimpicciolendo. È stato calcolato che il suo diametro si è ridotto di 14 chilometri dal momento della sua formazione.

​”Il pianeta si sta contraendo o restringendo e noi crediamo che le caratteristiche che vediamo sulla superficie siano una conseguenza di questo rimpicciolimento -, dice Benkhoff -. Questo è uno dei punti che vorremmo capire. È un aspetto che si può trovare in qualunque pianeta o è una caratteristica unica di Mercurio?”

Un altro mistero che si vuole svelare con BepiColombo è la composizione della superficie di Mercurio. Gli scienziati del Centro aerospaziale tedesco hanno costruito un minilaboratorio, in cui inserire campioni di materiali terrestri e studiarli in condizioni simili a quelle che si trovano su Mercurio, a una temperatura di 450 gradi centigradi, come ci mostra Jörn Helbert del Dlr:

“Andiamo a esplorare una superficie estremamente calda, e vogliamo prima disporre di dati di laboratorio da confrontare con quelli che riceveremo dalle sonde. Perché non è come la Luna, in cui abbiamo dei campioni reali. L’unica cosa che possiamo fare è osservare da lontano. E osserveremo qualcosa che è molto caldo, quindi dobbiamo prima studiare dei materiali alla stessa temperatura che troviamo su Mercurio. Come potete immaginare, non è un compito facile”.

Le missioni precedenti hanno trovato acqua ghiacciata ai poli e osservato molto meno ferro del previsto ​e molti più materiali volatili, come zolfo e potassio. Le rilevazioni effettuate in questo laboratorio saranno confrontate con lo spettrometro ricavato da BepiColombo per capire di che cosa sia fatta la superficie del pianeta. A questo scopo ci vorranno strumenti particolari.

Helbert ci fa vedere una copia di uno di questi: “È praticamente identica a quella che mandiamo nello spazio, stesse dimensioni, stesso materiale, l’unica differenza è che qui abbiamo del vetro per poter vedere che cosa succede all’interno.

Se guardate all’interno, vedrete che è molto riflettente, perché non vogliamo che il calore del pianeta raggiunga lo strumento all’interno, quindi cerchiamo di eliminare più calore possibile, ed è per questo che abbiamo costruito quello che chiamiamo un ‘deflettore’, che sostanzialmente riflette la luce del sole, riflette tutto il calore di Mercurio, e la luce è l’unica cosa che raggiunge il nostro strumento”.

Gli scienziati sono particolarmente curiosi di capire quanto Mercurio sia geologicamente attivo. La missione Messenger ha individuato quelli che sembrano essere vulcani e gas che esplodono dalle cavità in superficie.

Ma soprattutto, conclude Helbert, “Una delle ragioni per cui amo lavorare su Mercurio è che dobbiamo capire Mercurio per poter capire come si siano formati i pianeti. Se abbiamo un modello che funziona per tutti i pianeti tranne che per Mercurio, quel modello è fondamentalmente inutile”.

​Il lungo viaggio alla ricerca delle risposte a queste domande è solo all’inizio. BepiColombo sfrutterà la gravità della Terra, di Venere e dello stesso Mercurio per posizionarsi correttamente, ed entrerà in orbita nel dicembre del 2025, e solo allora potranno iniziare le rilevazioni. E le rivelazioni.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Historic First: A Spacecraft Orbits Mercury, Science@NASA
  2. Tutti i segreti di Mercurio, Internazionale
  3. MESSENGER Engine Burn Puts Spacecraft on Track for Venus, SpaceRef.com, 2005. 
  4. BepiColombo launch rescheduled for October 2018, ESA Portal, 28 febbraio 2012. 
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