Psyche è una missione della NASA che, dopo una serie di rinvii e ritardi, dovrebbe partire tra il 12 e il 25 ottobre 2023 a bordo di un Falcon Heavy di SpaceX. Rientra all’interno del programma Discovery dell’agenzia spaziale americana, è gestita dal JPL e la Principal Investigator della missione è Lindy Elkins-Tanton dell’Arizona State University.
La destinazione della missione è 16 Psyche, un asteroide particolarmente metallico e composto soprattutto da nichel e ferro, nella Fascia Principale tra Marte e Giove. L’obbiettivo principale è lo studio completo di questo asteroide nel corso di circa 26 mesi, durante i quali grazie ai suoi tre strumenti la sonda eseguirà mappe superficiali e analisi approfondite.
L’intero sistema di volo, compresi i due pannelli solari, ha all’incirca le dimensioni di un campo da tennis, 24.76 per 7.34 metri. Al momento del lancio si prevede che Psyche avrà una massa massima di 2747 kilogrammi, incluso l’esperimento Deep Space Optical Communications (DSOC) ad essa collegato.
La missione
Attualmente il lancio della missione Psyche è previsto per il 12 ottobre alle 16:16 italiane presso il Launch Complex 39A del Kennedy Space Center, in Florida, a bordo di un Falcon Heavy di SpaceX. La finestra di lancio, comunque, va dal 12 al 25 ottobre, con una possibilità di lancio ogni giorno nel pomeriggio italiano per un totale di 14 tentativi disponibili.
Si tratta della prima di una serie di missioni scientifiche della NASA e dei suoi partner a essere lanciata su un Falcon Heavy. Nel corso dei prossimi tre anni, questo vettore lancerà anche GOES-U della NOAA, Europa Clipper e il Nancy Grace Roman Space Telescope.
Dopo il lancio
Il Falcon Heavy è composto da due stadi con booster laterali. Si prevede che la separazione dal vettore avverrà circa un’ora dopo il decollo. Dopo che questa separazione sarà avvenuta correttamente, Psyche attiverà la Miniature Inertial Measurement Unit (MIMU) che consentirà di fermare qualsiasi rotazione del veicolo prima del dispiegamento dei pannelli solari a forma di croce, ciascuno dei quali composto da cinque pannelli in totale.
Psyche inizierà a dispiegare i pannelli solari entro circa sei minuti dalla separazione. Si apriranno uno alla volta dalla loro posizione ripiegata contro i lati opposti della sonda, impiegando ognuno circa due minuti per rilasciare i dispositivi di fissaggio e sei minuti per aprirsi e bloccarsi in posizione finale. In circa 21 minuti la coppia dovrebbe essere completamente schierata.
Una volta dispiegati i pannelli solari, Psyche passerà in “modalità sicura”. In questa modalità, punterà le sue antenne a basso guadagno verso la Terra. Già cinque minuti dopo la separazione dall’ultimo stadio del Falcon Heavy, in realtà, la sonda dovrebbe potersi connettere con il centro controllo missione, ma potrebbero essere necessarie fino a due ore per ricevere il primo segnale.
La crociera
La fase di crociera di Psyche inizia 100 giorni dopo il lancio. Questa fase durerà cinque anni, mentre la sonda viaggia fino all’asteroide 16 Psyche di destinazione.
Lungo il percorso sono previsti aggiornamenti periodici del software di volo, attività di manutenzione e calibrazione per gli strumenti scientifici e i sistemi ingegneristici. Durante questa fase, funzionerà l’esperimento Deep Space Optical Communications (DSOC), che eseguirà la sua preziosa dimostrazione tecnologica.
Si prevede che la sonda volerà vicino a Marte nel maggio 2026. Qui Psyche eseguirà una manovra di assist gravitazionale, sfruttando la gravità di Marte per aumentare la sua velocità e cambiare direzione senza utilizzare molto propellente.
Se il lancio avverrà il 12 ottobre o i giorni vicini a questa data, si prevede che la sonda viaggerà a 102 800 km/h rispetto al Sole cinque giorni prima del sorvolo di Marte, e cinque giorni dopo la manovra di assist e il massimo avvicinamento al pianeta, avrà una velocità di 104 900 km/h.
Verso Psyche
A questo punto, Psyche viaggerà per circa 29 mesi in direzione della Fascia Principale di asteroidi. Durante questo tempo si verificherà un periodo, detto congiunzione solare, in cui il Sole bloccherà la vista della Terra da parte della sonda per diversi giorni. Psyche non sarà in grado di comunicare con il controllo missione, ma è programmata per avvicinarsi all’asteroide senza dover comunicare con la Terra. La prima congiunzione dovrebbe verificarsi per 10 giorni nel settembre 2024.
Se tutto va come previsto, la gravità di 16 Psyche dovrebbe catturare in orbita la sonda alla fine di luglio 2029, dopo un viaggio di 3.6 miliardi di km. Le operazioni orbitali inizieranno nell’agosto 2029.
Nel corso dei 20 giorni successivi, Psyche si troverà nella prima delle sue quattro orbite. A quel punto, i controlli finali e la calibrazione di tutti e tre gli strumenti scientifici e l’indagine scientifica sulla gravità saranno completati.
In orbita attorno a Psyche
La missione di esplorazione dell’asteroide 16 Psyche prevede una fase operativa orbitale che inizierà nell’agosto 2029 e durerà almeno 26 mesi. Durante questa fase, la sonda Psyche compirà una serie di orbite circolari intorno all’asteroide, che ha una dimensione di circa 280 chilometri sul lato più largo.
Queste orbite sono denominate in ordine alfabetico nell’immagine sottostante, ma seguono una sequenza basata sulla quantità di luce solare disponibile e gli obiettivi scientifici.
L’orbita A, la prima, avrà una durata di circa 56 giorni. In questo periodo, Psyche si concentrerà sull’imaging e sulla mappatura dell’asteroide, oltre che su misurazioni del campo magnetico e della gravità. Successivamente, la sonda passerà all’orbita B, divisa in B1 e B2, dedicandosi alla mappatura della topografia e della geologia dell’asteroide. L’orbita D, la più bassa in altitudine, si concentrerà sulla composizione del corpo roccioso.
Tra queste orbite, la sonda dovrà cambiare altitudine. La missione prevede un buffer per affrontare eventuali problemi operativi.
Il sistema di propulsione
Psyche è dotato di un sistema a propulsione elettrica solare, alimentato da quattro propulsori ad effetto Hall. Sfrutterà l’energia proveniente da grandi pannelli solari per creare campi elettrici e magnetici. Questi, a loro volta, accelerano ed espellono ioni di xeno, a una velocità così elevata da creare spinta.
Sarà acceso solo un propulsore alla volta, che fornirà fino a 240 millinewton di spinta (circa la quantità di forza che una batteria AA eserciterebbe sul palmo della mano). Nel corso del tempo, nel vuoto privo di attrito dello spazio, la navicella accelererà lentamente e continuamente.
Il sistema di propulsione di Psyche si basa su tecnologie simili a quelle utilizzate dalla missione Dawn della NASA. Sarà però la prima missione dell’agenzia a utilizzare propulsori a effetto Hall nello spazio profondo. Finora i propulsori Hall sono stati utilizzati solo da una missione dell’ESA sulla Luna.
L’esperimento DSOC
L’esperimento Deep Space Optical Communications (DSOC) è la prima dimostrazione tecnologica della NASA di comunicazioni laser, o ottiche, nello spazio profondo, che coprono le distanze Terra-Marte. In particolare, DSOC metterà alla prova le tecnologie chiave che potrebbero essere utilizzate per missioni future.
Le operazioni di questo esperimento sono previste della durata di circa due anni, con inizio una ventina di giorni dopo il lancio. Il sistema DSOC è composto da tre componenti avanzate:
- Un ricetrasmettitore laser nel vicino infrarosso, collegato alla sonda. Questo dispositivo trasmette e riceve dati attraverso un telescopio da 22 centimetri e utilizza un laser da 4 watt per trasmettere dati ad alta velocità verso la Terra, ricevendo dati a bassa velocità tramite una fotocamera per il conteggio dei fotoni.
- Un trasmettitore laser a Terra ad alta potenza (5 kilowatt), gestito dall’Optical Communications Telescope Laboratory (OCTL) presso il JPL di Table Mountain, California. Fornirà dati di uplink a bassa velocità al ricetrasmettitore laser di volo sulla sonda.
- Il telescopio Hale da 5 metri presso l’Osservatorio Palomar del Caltech, in California. Riceverà dati ad alta velocità in downlink dal ricetrasmettitore laser di volo DSOC durante i primi due anni del viaggio di Psyche nello spazio profondo.
La comunicazione laser nello spazio profondo offre vantaggi, come onde elettromagnetiche più strette che consentono di trasmettere più dati contemporaneamente. Tuttavia, richiede una grande precisione di puntamento e tracciamento, poiché il segnale laser si indebolisce con la distanza e può essere disturbato da luce solare diffusa e atmosferica.
Per affrontare queste sfide, il ricetrasmettitore laser di volo DSOC è stabilizzato da montanti e attuatori che isolano l’hardware dalla vibrazione della sonda. Inoltre, è dotato di un parasole cilindrico per bloccare la luce diffusa.
La sonda assisterà il puntamento iniziale del laser ruotando per agganciarsi al faro trasmesso da Table Mountain e invierà i dati al telescopio Hale, che utilizzerà rivelatori di conteggio di fotoni a nanofili superconduttori per elaborare il segnale e trasmetterlo a terra. Questo sistema si propone di dimostrare l’efficacia delle comunicazioni laser nello spazio profondo.
La strumentazione
Psyche ha tre strumenti dedicati ai suoi obbiettivi: uno spettrometro di raggi gamma e neutroni, un imager multispettrale e un magnetometro.
Inoltre, il team scientifico farà affidamento sul sistema di telecomunicazioni, utilizzato per inviare comandi da Terra e per la trasmissione dei dati, per condurre studi sulla gravità. Analizzando le onde radio in banda X con cui comunica la sonda, gli scienziati possono misurare il modo in cui l’asteroide ne influenza l’orbita. Da queste informazioni, è possibile determinare la rotazione, la massa e il campo gravitazionale del corpo, fornendo ulteriori indizi sulla composizione e la struttura interna di Psiche.
Multispectral Imager
L’imager multispettrale di Psyche è costituito da una coppia di fotocamere identiche, dotate di filtri e obbiettivi telescopici per fotografare la superficie dell’asteroide in diverse lunghezze d’onda della luce.
Le camere possono scattare foto nella lunghezza d’onda visibile e del vicino infrarosso. Le immagini aiuteranno il team scientifico a studiare la composizione di 16 Psyche a mappare la distribuzione di crateri, valli e altre caratteristiche geologiche. Inoltre, consentiranno la creazione di mappe topografiche 3D, che forniranno maggiori indizi sulla storia dell’asteroide.
Gamma-Ray and Neutron Spectrometer
Lo spettrometro di raggi gamma e neutroni (GRNS) aiuterà a determinare gli elementi chimici che compongono il materiale della superficie dell’asteroide.
Infatti, mentre i raggi cosmici e le particelle ad alta energia bombardano la superficie di 16 Psyche, gli elementi presenti assorbono l’energia. In risposta, emettono neutroni e raggi gamma di vari livelli di energia. Lo spettrometro può rilevare queste emissioni, consentendo agli scienziati di abbinarle alle proprietà di elementi conosciuti per determinare di cosa è fatto Psyche.
Magnetometer
Il magnetometro dell’orbiter cercherà prove di un antico campo magnetico sull’asteroide Psyche. A differenza della Terra e di altri pianeti rocciosi che generano un campo magnetico nei loro nuclei metallici liquidi, i piccoli corpi come gli asteroidi non ne generano uno perché sono congelati.
Se il magnetometro rileva un campo intrinseco attorno all’asteroide, esso potrebbe esser dovuto alla magnetizzazione residua. Ovvero, a elettroni che erano allineati nei materiali di Psyche quando si raffreddarono in un antico campo generato nel nucleo fuso del corpo, miliardi di anni fa, prima che quel nucleo si raffreddasse.
La conferma di un campo magnetico rimanente sarebbe una prova evidente che l’asteroide si è formato dal nucleo di un corpo planetario.
16 Psyche
L’asteroide 16 Psyche è uno dei corpi celesti più intriganti del nostro Sistema Solare. Situato nella Fascia Principale di asteroidi, tra Marte e Giove, è stato scoperto nel 1852 dall’astronomo italiano Annibale de Gasparis. Tuttavia, è stato solo negli ultimi anni che Psyche è diventato oggetto di grande interesse scientifico.
Ciò che rende 16 Psyche così speciale è la sua composizione unica. A differenza della maggior parte degli asteroidi, che sono principalmente rocce e metalli, Psyche sembra essere composto principalmente da ferro e nichel. Questo lo rende un corpo celeste potenzialmente simile al nucleo di un pianeta, fornendo una preziosa finestra su come potrebbe apparire il nucleo della Terra o di altri pianeti rocciosi.
Le ipotesi sulle sue origini sono varie. Alcuni scienziati ritengono che potrebbe essere il nucleo esposto di un pianeta che è stato eroso dagli impatti di asteroidi e comete. Altri suggeriscono che potrebbe essere il risultato di un processo di differenziazione, simile a quello che ha creato il nucleo terrestre.
L’importanza dello studio di Psyche è grande. Oltre a fornire una visione senza precedenti dei nuclei planetari, questo asteroide ci potrebbe aiutare a comprendere meglio la formazione dei pianeti in generale, ottenendo una prospettiva straordinaria sulla storia e la formazione del nostro Sistema Solare.
Nuclei metallici di protopianeti
Il nucleo metallico di un pianeta è una componente chiave all’interno di pianeti rocciosi come la Terra. Questo nucleo è principalmente composto da metalli pesanti come ferro e nichel, ed è responsabile della generazione del campo magnetico del pianeta.
Si forma durante il processo di differenziazione planetaria. Quando un pianeta si forma da una nube di gas e polveri cosmiche, l’accumulo di materia causa un aumento di pressione e temperatura al suo interno. Queste condizioni estreme provocano la fusione dei materiali più densi, come il ferro, che affluiscono verso il centro del pianeta. Questo processo crea il nucleo metallico, separandolo dal mantello roccioso esterno.
Ciò che sappiamo finora sul nucleo metallico dei pianeti deriva dalla nostra comprensione delle leggi fisiche e da studi indiretti basati sull’analisi del campo magnetico terrestre. Anche le missioni spaziali e le simulazioni al computer hanno contribuito a migliorare la nostra comprensione.
Tuttavia, rimangono molte domande aperte sul nucleo metallico dei pianeti. Ad esempio, come si forma esattamente, nei primi stadi di formazione planetaria? Qual è la sua composizione precisa? E quali sono le implicazioni della sua dinamica per il comportamento complessivo del pianeta? Queste domande sono ancora oggetto di ipotesi e ricerche in corso, e una missione come Psyche potrebbe finalmente aiutarci a trovare una risposta definitiva.
