Un recente studio condotto dagli scienziati dello Space Physics Laboratory (SPL) del Vikram Sarabhai Space Centre (VSSC) ha rivelato che la ionosfera lunare presenta densità di elettroni sorprendentemente elevate quando la Luna transita nella “coda magnetica” terrestre.
La coda magnetica è la parte allungata della magnetosfera terrestre che si estende in direzione opposta al Sole, formata dal vento solare che distorce il campo magnetico terrestre, creando una regione in cui le particelle cariche possono rimanere intrappolate e interagire con la Luna quando questa vi transita.
Questa scoperta nasce dall’analisi dei segnali radio trasmessi dall’orbiter della missione Chandrayaan-2 dell’Agenzia Spaziale Indiana (ISRO), che fallì l’allunaggio nel 2019. La scoperta suggerisce un ruolo più significativo dei campi magnetici crostali lunari, rispetto a quelli già ipotizzati e rilevati da Chandrayaan-1.
Metodi di studio innovativi
Il team di ricerca ha utilizzato una metodologia innovativa per studiare la distribuzione del plasma attorno alla Luna, un sottile strato di particelle cariche (elettroni e ioni) presenti sopra la superficie lunare, generato dall’interazione con il vento solare, la radiazione ultravioletta e gli effetti della coda magnetica terrestre durante il transito lunare in essa.
L’esperimento si è basato sull’uso dei segnali radio TTC in banda S in un esperimento di radio occultazione bidirezionale. I segnali radio trasmessi da Chandrayaan-2 sono stati monitorati attraverso lo strato di plasma lunare, e ricevuti dall’Indian Deep Space Network (IDSN) di Byalalu, Bangalore.
I risultati hanno rivelato una densità di elettroni di circa 23 mila per centimetro cubo, un valore paragonabile a quello già osservato dallo stesso team sul lato nascosto della Luna. Un valore quasi 100 volte superiore rispetto a quello misurato sul lato illuminato della Luna. Questo dato sorprendente mette in discussione le attuali teorie sulla dinamica del plasma lunare.
Chandrayaan-2 contraddice le precedenti ipotesi
Durante ogni orbita, la Luna transita attraverso la coda magnetica terrestre, o geotail, per circa quattro giorni. In questa fase, è schermata dal vento solare diretto e, secondo le ipotesi precedenti, la densità del plasma avrebbe dovuto essere inferiore a causa della libera diffusione lungo le linee del campo magnetico terrestre.
Tuttavia, le osservazioni di Chandrayaan-2 contraddicono questa ipotesi, suggerendo che i campi magnetici crostali lunari intrappolino il plasma, impedendone la dispersione e determinando un aumento localizzato della densità elettronica.
Nell’immagine di seguito, i profili di densità elettronica osservati vicino al Polo Nord lunare l’8 novembre 2022 alle 18:00 UTC. Pannello sinistro: quantità complessiva di elettroni lungo una colonna verticale. Pannello destro: profilo della densità elettronica (EDP) come curva nera, con barre di errore verdi e rosa che indicano rispettivamente la deviazione standard (σ) e tre volte la deviazione standard (3σ). La regione colorata in ciano rappresenta valori di densità elettronica negativi, ovvero rumore nei dati. La curva viola rappresenta la simulazione del Modello Ionosferico Lunare (LIM), utilizzato per confrontare i dati osservati con la teoria. Pannello centrale: densità elettronica simulata nello stesso punto, ma senza considerare l’effetto dei campi magnetici crostali.
Per confermare questa ipotesi, gli scienziati hanno utilizzato il modello tridimensionale della ionosfera lunare (3D-LIM), sviluppato internamente presso SPL-VSSC. Le simulazioni hanno dimostrato che per mantenere valori così elevati di densità del plasma, la ionosfera deve trovarsi in equilibrio fotochimico, una condizione possibile solo nella geotail in presenza di campi magnetici crostali.
Il modello ha inoltre evidenziato una riduzione localizzata delle densità di Argon (Ar) e Neon (Ne) vicino ai poli lunari, in linea con osservazioni precedenti effettuate da altre missioni spaziali.
Chandrayaan-2: dal fallimento…
La missione Chandrayaan-2 è stata lanciata con successo il 22 luglio 2019 alle 14:43 (ora locale) dal centro spaziale Satish Dhawan (SDSC), Sriharikota, utilizzando il vettore GSLV MkIII-M1. Dopo una serie di manovre orbitali attorno alla Terra, l’orbiter si è immesso in un’orbita di trasferimento lunare il 14 agosto.
L’inserimento in orbita lunare (LOI) è stato effettuato con successo il 20 agosto, collocando Chandrayaan-2 in un’orbita ellittica attorno alla Luna. Successivamente, una serie di manovre ha ridotto progressivamente l’orbita fino a raggiungere una configurazione circolare polare a 100 km di altitudine. Il 2 settembre, il lander Vikram si è separato dall’orbiter e ha eseguito una manovra di deorbitazione per ridurre la sua orbita a 35 km x 101 km.
Il tentativo di atterraggio è stato effettuato il 7 settembre, seguendo la traiettoria di discesa prevista fino a circa 2 km dalla superficie lunare. Tuttavia, la comunicazione con il lander è stata persa in quella fase critica.
Nonostante ciò, tutti i sistemi e i sensori del lander hanno funzionato in modo eccellente fino a quel momento, dimostrando nuove tecnologie come il sistema di propulsione a spinta variabile. L’orbiter, invece, è rimasto pienamente operativo e continua a trasmettere dati preziosi, come quelli da cui deriva lo studio sulla ionosfera lunare.
Chandrayaan-2 trasportava otto strumenti scientifici progettati per studiare la geologia superficiale, la composizione e l’esosfera lunare. Queste misurazioni stanno contribuendo ad ampliare la comprensione della Luna, costruendo sulle conoscenze acquisite dalle precedenti missioni lunari.
…alle scoperte di oggi e domani
Le elevate densità di plasma osservate potrebbero avere un impatto significativo sulle comunicazioni radio, sugli effetti della carica elettrostatica sulla superficie lunare e sulle interazioni con la polvere lunare. Questi aspetti risultano fondamentali per le future missioni robotiche e con equipaggio che esploreranno le regioni influenzate dai campi magnetici orbitali lunari.
Comprendere il comportamento dell’ionosfera lunare in diversi ambienti spaziali consentirà inoltre di ottimizzare la progettazione di habitat lunari, in particolare nelle aree soggette agli effetti dei campi magnetici crostali. Questa scoperta rappresenta un passo significativo nella comprensione dell’ambiente plasmatico attorno alla Luna.
Inoltre, dimostra il prezioso contributo delle missioni indiane Chandrayaan, con Chandrayaan-3 attualmente sulla Luna e già protagonista di diverse scoperte, nell’avanzamento della ricerca lunare globale.
Lo studio, pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters, è reperibile qui.
