Orbiter solare: cos’è, satellite per l’osservazione del Sole

Il Solar Orbiter ( SolO ) è un satellite per l’osservazione del Sole sviluppato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA). SolO, progettato per ottenere dettagliate dettagliate dell’eliosfera interna e del vento solare nascente , eseguirà anche osservazioni ravvicinate delle regioni polari del Sole, cosa difficile da fare dalla Terra. Queste osservazioni sono importanti per studiare come il Sole crea e controlla la sua eliosfera.

Solar Orbiter dell'ESA

Rappresentazione artistica di Solar Orbiter

SolO effettua osservazioni del Sole da un’orbita eccentrica che si muove fino a ≈60 raggi solari ( RS ) , o 0,284 unità astronomiche (au), posizionandolo all’interno del perielio di Mercurio di 0,3075 au. Durante la missione l’inclinazione orbitale sarà elevata a circa 24°. Il costo totale della missione è di 1,5 miliardi di dollari, contando i contributi dell’ESA e della NASA.

SolO è stato lanciato il 10 febbraio 2020. La missione dovrebbe durare sette anni.

Un confronto tra le dimensioni del Sole visto dalla Terra (a sinistra, 1 au) e dalla sonda Solar Orbiter (0,284 au, a destra)

Il modello termico strutturale di Solar Orbiter poco prima di lasciare la struttura Airbus Defence and Space a Stevenage, nel Regno Unito

Veicolo spaziale

La navicella spaziale Solar Orbiter è una piattaforma stabilizzata a tre assi puntata verso il Sole con uno scudo termico dedicato per fornire protezione dagli alti livelli di flusso solare vicino al perielio. Il veicolo spaziale fornisce una piattaforma stabile per accogliere la combinazione di telerilevamento e strumentazione in situ in un ambiente elettromagneticamente pulito. I 21 sensori sono stati configurati sul veicolo spaziale per consentire a ciascuno di condurre i propri esperimenti in situ o di telerilevamento con accesso e protezione dall’ambiente solare. Solar Orbiter ha ereditato la tecnologia dalle missioni precedenti, come i pannelli solari del BepiColombo Mercury Planetary Orbiter (MPO). I pannelli solaripossono essere ruotati attorno al proprio asse longitudinale per evitare il surriscaldamento in prossimità del Sole. Un pacco batteria fornisce energia supplementare in altri punti della missione, come i periodi di eclissi incontrati durante i sorvoli planetari.

Il sottosistema di telemetria, tracciamento e comando fornisce la capacità di collegamento di comunicazione con la Terra in banda X. Il sottosistema supporta la telemetria, il telecomando e la portata. Le antenne a basso guadagno vengono utilizzate per il lancio e la fase iniziale dell’orbita (LEOP) e ora funzionano come supporto durante la fase della missione quando sono in uso antenne orientabili a medio e alto guadagno. L’antenna ad alto guadagno e ad alta temperatura deve puntare su un’ampia gamma di posizioni per ottenere un collegamento con la stazione di terra ed essere in grado di effettuare il downlink di volumi di dati sufficienti. Il suo design è stato adattato dalla missione BepiColombo. L’antenna può essere ripiegata per ottenere protezione dallo scudo termico di Solar Orbiter, se necessario. La maggior parte dei dati verrà quindi inizialmente archiviata nella memoria di bordo e rispedita sulla Terra il prima possibile.

La stazione di terra di Malargüe (Argentina), con un’antenna di 35 m, viene utilizzata dalle 4 alle 8 ore/giorno (effettive). La stazione di terra Malargüe dell’ESA sarà utilizzata per tutte le operazioni durante la missione con le stazioni di terra a New Norcia , in Australia, e Cebreros , in Spagna, che fungeranno da backup quando necessario.

Operazioni di missione

Animazione della traiettoria di Solar Orbiter
Vista polare. Per un’animazione più dettagliata, guarda questo video
Vista equatoriale
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Durante le operazioni scientifiche nominali, i dati scientifici vengono sottoposti a downlink per otto ore durante ogni periodo di comunicazione con la stazione di terra. Sono previsti ulteriori passaggi di downlink di otto ore in base alle esigenze per raggiungere il totale dei dati scientifici richiesti per la restituzione della missione. Il segmento terrestre del Solar Orbiter sfrutta al massimo l’infrastruttura dell’ESA per le missioni nello spazio profondo:

  • Le stazioni di terra, che appartengono alla rete di stazioni di tracciamento spaziale dell’ESA ( ESTRACK )
  • Il Mission Operations Center (MOC), situato a ESOC , Darmstadt , Germania
  • Il Science Operations Center (SOC), situato presso ESAC , Villanueva de la Cañada , Spagna
  • La rete di comunicazione, che collega i vari centri e stazioni remoti per supportare il traffico dati operativo

Il Science Operations Center era responsabile della pianificazione della missione e della generazione di richieste di operazioni di carico utile al MOC, nonché dell’archiviazione dei dati scientifici. Il SOC è stato operativo per la fase scientifica attiva della missione, ovvero dall’inizio della fase di crociera in poi. La consegna delle operazioni di carico utile dal MOC al SOC viene eseguita al termine della fase di messa in servizio della Terra vicina (NECP). La stazione di Malargüe dell’ESA in Argentina sarà utilizzata per tutte le operazioni durante la missione, con le stazioni di terra della stazione di New Norcia , in Australia, e della stazione di Cebreros , in Spagna, che fungeranno da supporto quando necessario.

Durante la fase di crociera iniziale, che durerà fino a novembre 2021, Solar Orbiter eseguirà due manovre di assistenza gravitazionale attorno a Venere e una attorno alla Terra per alterare la traiettoria del veicolo spaziale, guidandolo 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 solare ravvicinato avverrà il 26 marzo 2022 a circa un terzo della distanza della Terra dal Sole.

L’orbita del veicolo spaziale è stata scelta per essere “in risonanza” con Venere, il che significa che tornerà nelle vicinanze del pianeta ogni poche orbite e potrà nuovamente utilizzare la gravità del pianeta per alterare o inclinare la sua orbita. Inizialmente, Solar Orbiter sarà confinato sullo stesso piano dei pianeti, ma ogni incontro con Venere aumenterà la sua inclinazione orbitale. Ad esempio, dopo l’incontro con Venere del 2025, farà il suo primo passaggio solare con un’inclinazione di 17°, aumentando fino a 33° durante una fase di estensione della missione proposta, portando in vista diretta ancora più regioni polari.

Obiettivi scientifici

Il veicolo spaziale effettua un avvicinamento ravvicinato al Sole ogni sei mesi. L’approccio più vicino sarà posizionato per consentire uno studio ripetuto della stessa regione dell’atmosfera solare. Solar Orbiter sarà in grado di osservare l’attività magnetica che si accumula nell’atmosfera che può portare a potenti brillamenti solari o eruzioni.

I ricercatori avranno anche la possibilità di coordinare le osservazioni con la missione Parker Solar Probe della NASA (2018-2025) che sta eseguendo misurazioni della corona estesa del Sole .

L’obiettivo della missione è eseguire studi ravvicinati e ad alta risoluzione del Sole e della sua eliosfera interna . La nuova comprensione aiuterà a rispondere a queste domande:

  • Come e dove hanno origine nella corona il plasma del vento solare e il campo magnetico ?
  • In che modo i transitori solari guidano la variabilità eliosferica?
  • In che modo le eruzioni solari producono radiazioni di particelle energetiche che riempiono l’eliosfera?
  • Come funziona la dinamo solare e guida le connessioni tra il Sole e l’eliosfera?

Strumenti

Il payload scientifico è composto da 10 strumenti:

Strumenti eliosferici in situ (4)
  • SWA – Solar Wind Plasma Analyzer (Regno Unito): consiste in una suite di sensori che misura le proprietà di massa di ioni ed elettroni (incluse densità, velocità e temperatura) del vento solare, caratterizzando così il vento solare tra 0,28 e 1,4 au da il Sole. Oltre a determinare le proprietà di massa del vento, SWA fornisce misurazioni della composizione ionica del vento solare per elementi chiave (ad esempio il gruppo C, N, O e Fe, Si o Mg)
  • EPD – Energetic Particle Detector (Spagna): misura le funzioni di composizione, temporizzazione e distribuzione di particelle sovratermiche ed energetiche. Gli argomenti scientifici da affrontare includono le sorgenti, i meccanismi di accelerazione e i processi di trasporto di queste particelle
  • MAG – Magnetometer (Regno Unito): fornisce misure in situ del campo magnetico eliosferico (fino a 64Hz) con elevata precisione. Ciò faciliterà studi dettagliati sul modo in cui il campo magnetico del Sole si collega allo spazio e si evolve durante il ciclo solare; come le particelle vengono accelerate e si propagano attorno al Sistema Solare, inclusa la Terra; come la corona e il vento solare vengono riscaldati e accelerati
  • RPW – Radio and Plasma Waves (Francia): Unico tra gli strumenti Solar Orbiter, RPW effettua misurazioni sia in situ che remote. RPW misura i campi magnetici ed elettrici ad alta risoluzione temporale utilizzando una serie di sensori/antenne, per determinare le caratteristiche delle onde elettromagnetiche ed elettrostatiche nel vento solare
Strumenti di telerilevamento solare (6)
  • PHI – Polarimetric and Helioseismic Imager (Germania): fornisce misurazioni ad alta risoluzione e a disco intero del campo magnetico vettoriale fotosferico e della velocità della linea di vista (LOS), nonché dell’intensità continua nell’intervallo di lunghezze d’onda visibili. Le mappe di velocità LOS hanno l’accuratezza e la stabilità per consentire indagini eliosismiche dettagliate dell’interno solare, in particolare della zona di convezione solare ad alta risoluzione e misurazioni a disco intero del campo magnetico fotosferico
  • EUI – Extreme Ultraviolet Imager (Belgio): Immagini gli strati atmosferici solari al di sopra della fotosfera, fornendo così un collegamento indispensabile tra la superficie solare e la corona esterna che alla fine modella le caratteristiche del mezzo interplanetario. Inoltre, l’EUI fornisce le prime immagini UV del Sole da un punto di vista fuori dall’eclittica (fino a 33° di latitudine solare durante la fase di missione estesa)
  • SPICE – Spectral Imaging of the Coronal Environment (Francia): esegue la spettroscopia di imaging ultravioletto estremo per caratterizzare a distanza le proprietà del plasma della corona su disco del Sole. Ciò consentirà di abbinare le firme di composizione in situ dei flussi di vento solare alle loro regioni di origine sulla superficie del Sole
  • STIX – Spectrometer Telescope for Imaging X-rays (Svizzera): fornisce spettroscopia di imaging dell’emissione di raggi X solari termici e non termici da 4 a 150 keV. STIX fornisce informazioni quantitative su temporizzazione, posizione, intensità e spettri di elettroni accelerati, nonché di plasmi termici ad alta temperatura, per lo più associati a flare e/o microflare
  • Metis – Coronagraph (Italia): Immagini simultanee delle emissioni nel visibile e nel lontano ultravioletto della corona solare e diagnostica, con copertura temporale e risoluzione spaziale senza precedenti, la struttura e la dinamica dell’intera corona nell’intervallo da 1,4 a 3,0 (da 1,7 a 4,1 ) raggi solari dal centro del Sole, al minimo (massimo) perielio durante la missione nominale. Questa è una regione cruciale nel collegare i fenomeni atmosferici solari alla loro evoluzione nell’eliosfera interna
  • SoloHI – Solar Orbiter Heliospheric Imager (Stati Uniti): Immagini sia il flusso quasi stazionario che i disturbi transitori nel vento solare su un ampio campo visivo osservando la luce solare visibile diffusa dagli elettroni del vento solare. SoloHI fornisce misurazioni uniche per individuare le espulsioni di massa coronale (CME). (NRL fornito)

Istituzioni coinvolte

Le seguenti istituzioni gestiscono ciascuno strumento:

  • Solar Wind Plasma Analyzer (SWA): Mullard Space Science Laboratory
  • Energetic Particle Detector (EPD): Università di Alcala , Università di Kiel (CAU)
  • Magnetometro (MAG): Imperial College di Londra
  • Onde radio e al plasma (RPW): Observatoire de Paris
  • Polarimetric and Heliosismic Imager (PHI): Max Planck Institute for Solar System Research (MPS), Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA)
  • Extreme Ultraviolet Imager (EUI): Osservatorio Reale del Belgio , Centre Spatial de Liège , Institut d’astrophysique spazialie , Max Planck Institute for Solar System Research (MPS)
  • Imaging spettrale dell’ambiente coronale (SPICE): Institut d’astrophysique spaziali Rutherford Appleton Laboratory , Max Planck Institute for Solar System Research (MPS)
  • Spettrometro/telescopio per l’imaging di raggi X (STIX): FHNW , Centro di ricerca spaziale dell’Accademia polacca delle scienze , Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)
  • Coronagraph (Metis): Università di Firenze , INAF , Max Planck Institute for Solar System Research (MPS)
  • Heliospheric Imager (SoloHI): Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti

Decollo e volo

Ritardi di lancio

Il lancio di Solar Orbiter da Cape Canaveral alle 23:03 EST del 9 febbraio 2020 (data USA).

Nell’aprile 2015, il lancio è stato posticipato da luglio 2017 a ottobre 2018. Nell’agosto 2017, Solar Orbiter è stato considerato “sulla buona strada” per un lancio nel febbraio 2019. Il lancio è avvenuto il 10 febbraio 2020 su un Atlas V 411.

Lancio

L’Atlas V 411 (AV-087) è decollato da SLC-41 a Cape Canaveral, in Florida, alle 04:03 UTC. La navicella Solar Orbiter si è separata dallo stadio superiore del Centaur quasi 53 minuti dopo e l’Agenzia spaziale europea ha acquisito i primi segnali dalla navicella pochi minuti dopo.

Traiettoria

Dopo il lancio, Solar Orbiter impiegherà circa 3,5 anni, utilizzando ripetuti aiuti gravitazionali dalla Terra e da Venere, per raggiungere la sua orbita operativa, un’orbita ellittica con perielio 0,28 UA e afelio 0,91 UA. Il primo sorvolo è stato di Venere nel dicembre 2020. Per la durata prevista della missione di 7 anni, utilizzerà ulteriori assist gravitazionali da Venere per aumentare la sua inclinazione da 0° a 24°, consentendogli una migliore visione dei poli del Sole. Se viene approvata una missione estesa, l’inclinazione potrebbe aumentare ulteriormente fino a 33°.

Durante la sua fase di crociera verso Venere, Solar Orbiter ha attraversato la coda di ioni della cometa C/2019 Y4 (ATLAS) dal 31 maggio al 1° giugno 2020. Ha attraversato la coda di polvere della cometa il 6 giugno 2020.

Nel giugno 2020, Solar Orbiter è arrivato a 77.000.000 di km (48.000.000 mi) dal Sole e ha catturato le immagini più vicine del Sole mai scattate.

Cronologia della missione

La velocità della sonda e la distanza dal Sole

  • Aprile 2012: contratto da 319 milioni di euro per la costruzione di orbiter assegnato ad Astrium UK
  • Giugno 2014: lo scudo solare completa il test di cottura di 2 settimane
  • Settembre 2018: il veicolo spaziale viene spedito a IABG in Germania per iniziare la campagna di test ambientali
  • Febbraio 2020: Lancio riuscito
  • Maggio-giugno 2020: Incontro con le code di ioni e polveri di C/2019 Y4 (ATLAS)
  • Luglio 2020: rilasciate le prime immagini del Sole
  • Marzo 2022: immagine a più alta risoluzione dell’intero disco del Sole e dell’atmosfera esterna, la corona, mai scattata

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_Orbiter

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