Ulysses (sonda spaziale)

Ulyssesè stata unasonda spazialerobotica sviluppata in collaborazione dall'Agenzia Spaziale Europeae dallaNASAper lo studio delSolee dell'eliosferada un'orbita a elevatainclinazionerispetto al piano dell'eclittica. Ulysses ha permesso di osservare per la prima volta i poli solari. Originariamente indicata comeInternational Solar Polar Mission, fu rinominata come l'eroe grecoUlisseche si avventurò per mare verso rotte inesplorate.
La sonda fu lanciata nell'ottobre del1990dalloSpace ShuttleDiscovery(missioneSTS-41). Dotata di strumenti che avrebbero analizzato i campi, le particelle e le polveri nello spazio interplanetario, era alimentata da ungeneratore termoelettrico a radioisotopi(RTG). Dopo aver sfruttatoGioveper abbandonare il piano dell'eclittica attraverso una manovra difionda gravitazionalenel 1992, la sonda ha eseguito tre passaggi sui poli solari, nel 1994-95, nel 2000-01 e nel 2007-08. È stata infine disattivata il 30 giugno2009,quando la potenza erogata dal generatore termoelettrico ha raggiunto un livello troppo basso per garantire un ritorno scientifico tale da giustificare il mantenimento in esercizio diUlysses.Con una vita operativa di 18 anni e 266 giorni, ha battuto il precedente record di funzionamento di una missione ESA appartenuto all'International Ultraviolet Explorer.
La particolare orbita percorsa ha permesso numerose scoperte, tra le quali la ricezione di un segnale radio quasi periodico proveniente dal polo sud di Giove; l'attraversamento fortuito delle code di ben trecomete, tra le quali le famoseHyakutakeeMcNaught; l'individuazione di alcune sorgenti dilampi gamma, come parte dell'InterPlanetary Network.
Il corpo della sonda è approssimativamente una scatola di 3 × 3.3 × 2 m di dimensioni. Su di essa sono montati l'antenna parabolica, di 1,65 m di diametro, e il generatore termoelettrico a radioisotopi. La scatola è divisa in due sezioni, indicate come "rumorosa" e "silenziosa". La sezione rumorosa confina con il generatore di energia ed ospita il serbatoio del propellente, la sezione silenziosa ospita la maggior parte della strumentazione elettronica. I componenti che avrebbero potuto disturbare il funzionamento degli altri sono montati sull'esterno della struttura, con la scatola che fa dagabbia di Faraday.
Ulyssesè stabilizzata a singolospinintorno all'asse dell'antenna.Il generatore termoelettrico, l'antennalineare e lo stelo del magnetometro sono posizionati in modo da stabilizzare l'asse. La velocità di rotazione nominale è di 5rpm. Il sistema di propulsione utilizzaidrazinaper le manovre in fase di crociera e per il controllo d'assetto, che prevede il ridirezionamento dell'asse - e quindi dell'antenna - verso la Terra. La sonda è dotata di otto razzi, in due blocchi. Quattro sensori solari rivelano l'orientamento. Per ottenere un'elevata precisione nel controllo d'assetto, viene sfruttata una tecnica - chiamata CONSCAN - che prevede che l'antenna inbanda Sriceva il segnale da terra leggermente fuori asse. Ciò introduce una pulsazione di 5 rpm nel segnale, che può esseredeconvoluta, fornendo un orientamento.
La sonda utilizza le comunicazioni in banda S per ricevere i comandi e inviare latelemetria, utilizzando due trasmittenti da 5W, e le comunicazioni inbanda Xper la trasmissione dei dati a terra, utilizzando dueTWTAda 20 W. Le trasmissioni in entrambe le bande avvengono attraverso l'antenna parabolica.
Due nastri registratori, ognuno con una capacità di 45Mbitconservano i dati scientifici tra due sessioni di comunicazione consecutive, che avvengono nominalmente ogni 8 ore. Mediante il computerOnBoard Data Handling(OBDH)prodotto dallaLABENdiMilano(oggi integrata inThales Alenia SpaceItalia diGorgonzola) è possibile regolare gli strumenti a bordo diUlyssesin modo da registrare i dati ad una risoluzione inferiore per ridurre il carico di lavoro delDeep Space Networkqualora fosse reso necessario dalla concomitanza di altre missioni spaziali.
La richiesta principale per ilsistema di controllo termicoè che la sonda non scenda al di sotto dei 2 °C, temperatura a cui congelerebbe l'idrazina, impedendo il direzionamento dell'antenna. Per evitare che ciò possa accadere quando la sonda è in prossimità dell'orbita di Giove è stato predisposto un sistema di riscaldatori elettrici ed una copertura adeguata. Si è invece evitato che la sonda potesse raggiungere temperature eccessivamente elevate, scegliendo un'orbita opportuna. In particolareUlyssessi trova a 1,3 UA quando raggiunge la minima distanza dal Sole.
Sulla sonda è stata incisa la frase ascritta all'Ulisse dantesco:Fatti non foste a viver come bruti, ma per seguir virtute e canoscenza.
La missione originaria, denominataInternational Solar Polar Mission, prevedeva l'uso di due navicelle, una di fabbricazione europea e l'altra statunitense, che avrebbero percorso orbite simili ma in senso opposto, in modo che quando una si trovava sul polo sud del Sole, l'altra si sarebbe trovata su quello nord. Difficoltà di bilancio della NASA, che stava concentrando le sue risorse nellosviluppo dello Space Shuttle, condussero l'ente spaziale americano a cancellare la propria navicella nel1986. L'ESA tuttavia decise di proseguire utilizzando la navicella che nel frattempo aveva già costruito, che rinominòUlysses.La NASA contribuì alla missione fornendo il generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) e occupandosi del lancio. I dieci strumenti scientifici in dotazione della sonda furono infine divisi in due gruppi, per università e istituti di ricerca appartenenti rispettivamente all'Europa e agli Stati Uniti.
La sonda è stata immessa in orbita terrestre bassa (LEO) il 6 ottobre1990dallo Space ShuttleDiscovery(missioneSTS-41).Inizialmente ne era stato previsto il lancio per il1986, ma la sospensione dei voli degli Space Shuttle che ha seguito ildisastro dello Space Shuttle Challengerha costretto a rimandare il lancio.
La sonda ha quindi lasciato l'orbita terrestre grazie all'utilizzo dei due stadi delrazzo vettoreIUS, sviluppato dallaBoeinge dalla NASA come stadio superiore dei razziTitan III(e poiTitan IV) e per il lancio dipayloaddalla stiva di carico dello Shuttle. Grazie alla spinta ricevuta, la sonda è stato l'oggetto artificiale più veloce che avesse mai abbandonato la Terra, superata solo recentemente dalla missioneNew Horizons.
L'8 febbraio1992la sonda ha raggiuntoGiove, dove ha eseguito una manovra correttiva che l'ha portata su un'orbita con un'elevatainclinazionerispetto al piano dell'eclittica, appositamente studiata per poter analizzare la regione polare del Sole.Ilsorvolodi Giove è stato sfruttato per analizzare lamagnetosfera giovianacon gli strumenti a bordo di Ulysses. Non essendo la sonda dotata di una fotocamera, non sono state raccolte immagini del pianeta.
Nel1994-95, nel2000-01e nel2007-08ha esplorato le regioni polari nord e sud del Sole ottenendo dei risultati inaspettati. In particolare ilpolo magneticosud del Sole è molto dinamico e non è dotato di una zona libera dal campo magnetico. Sarebbe sbagliato affermare che il Sole non ha polo magnetico sud e quindi che è unmonopolo magnetico, in realtà il polo magnetico sud del Sole esiste solo che è molto diffuso e non concentrato come il polo magnetico nord. Nel passaggio del 2007-08Ulyssesha misurato un valore del campo magnetico in corrispondenza dei poli solari molto più debole rispetto a quanto osservato nei passaggi precedenti.
Il 1º maggio1996la sonda ha inaspettatamente attraversato la scia di ioni dellacometa Hyakutake(C/1996 B2),determinando che la coda della cometa è lunga almeno 3,8 UA.SuccessivamenteUlyssesha attraversato la coda di altre duecomete: lacometa McNaught-Hartley(C/1999 T1) nel2000e la cometaMcNaught(C/2006 P1) nel2008.Tali fortuite circostanze hanno permesso di indagare l'interazione tra lacodadelle comete ed ilvento solaree le modalità secondo le quali le comete perdono la loro massa. Inoltre, le misure effettuate sono state utili per capire cosa accade quando il materiale neutro e freddo emesso dalle comete incontra il plasma caldo del vento solare.
Ulyssesè arrivata all'afelionel2003/2004e da quella posizione ha eseguito alcune osservazioni a distanza di Giove.
Da febbraio del2008, la potenza fornita dal generatore termoelettrico a radioisotopi è diminuita al punto da essere insufficiente a garantire il funzionamento contemporaneamente degli strumenti scientifici, del sistema di comunicazione e di alcuni riscaldatori interni necessari al funzionamento del sistema di controllo d'assetto. Infatti, il congelamento dell'idrazinanei condotti del combustibile impedirebbe il funzionamento dei razzi che permettono di manovrare la sonda.
Il problema non ha condotto ad una repentina perdita della sonda perché è stato riscontrato nelle vicinanze del Sole, dove il calore irradiato dalla nostra stella è ancora sufficiente a garantire che la temperatura del carburante non scenda al di sotto di 2 °C. Ma l'orbita percorsa daUlyssesla porta inesorabilmente ad allontanarsi dal Sole ed è atteso che possa cessare di funzionare improvvisamente.
Una strategia piuttosto elaborata intrapresa dal controllo di missione ha permesso di impedire il congelamento del propellente nei condotti. Si è scelto infatti di lasciar scorrere nei condotti minime quantità di propellenteogni due ore.Questa strategia, che non può essere un'alternativa definitiva ai riscaldatori, dal momento che comporta la perdita continua di propellente nello spazio, già poco dopo la sua attuazione, è risultata particolarmente efficace, tanto da far supporre che fosse possibile preservare il funzionamento della sonda fino al 1º luglio2008, indicato inizialmente come data nominale di fine missione.Ad ogni modo, le operazioni sono continuate anche oltre tale data,e sembrava plausibile aspettarsi che la cessazione delle operazioni di missione e deattivazione o ibernazione della sonda sarebbero state determinate dal congelamento del propellente del sistema di controllo d'assetto o dal suo esaurimento.
In realtà, sebbene al giugno del2009la sonda continuasse a trasmettere a Terra i dati scientifici raccolti quotidianamente, le agenzie spaziali europea e statunitense hanno deciso in accordo di terminare la missione il 30 giugno dello stesso anno, poiché i costi per il suo mantenimento (soprattutto quelli dell'utilizzo di una delle tre antenne di 70 m delDeep Space Networkper la ricezione dei deboli segnali inviati dalla sonda) non potevano essere giustificati dall'ormai ridotto ritorno scientifico ottenibile dalla sonda.
Alle 22:15CESTdel 30 giugno2009è stata ricevuta l'ultima comunicazione dalla sonda.Cinque minuti prima era stata inviata dalla Terra la sequenza di disattivazione. Al momento della disattivazione,Ulyssesdistava 5,4 UA dal nostro pianeta ed i segnali radio hanno impiegato circa 45 minuti a coprire tale distanza.
La missione ha stabilito il nuovo record di funzionamento di una missione ESA, avendo operato per 18 anni e 266 giorni, battendo il record precedente detenuto dall'International Ultraviolet Explorer.Dopo la disattivazione,Ulyssescontinuerà ad orbitare attorno al Sole come se fosse unacometafatta dall'uomo.
Ulyssesrientra in un ampio programma di osservazione del Sole sviluppato dalle principali agenzie spaziali che comprende un buon numero di telescopi e sonde spaziali. Rispetto a tutti gli altri oggetti lanciati nello spazio,Ulyssespercorre un'orbita unica, al di fuori del piano dell'eclittica - il piano dell'orbita della Terra e con una certa approssimazione degli altri pianeti - che le permette di transitare per zone dell'eliosferaprecedentemente inesplorate. Ogni osservazione della sonda, quindi, ha aggiunto preziose informazioni alle conoscenze sulla nostra stella.
La sonda ha eseguito tre passaggi sui poli del Sole, nel1994-'95, nel2000-'01e nel2007-'08.
Principali scoperte:
Sebbene il sorvolo di Giove non avesse quale scopo primario l'esplorazione del pianeta, è stato comunque sfruttato per lo studio della magnetosfera gioviana. Giove possiede un fortecampo magneticoe la sua magnetosfera è la più ampia conosciuta per uncorpo planetarioorbitante intorno ad unastella. Le orbite dei satelliti galileiani giacciono all'interno di essa ed, in particolare, le eruzioni vulcaniche suIosono una prolifica fonte delle particelle, principalmentezolfoedossigeno, che formano un grandetorointorno all'orbita della luna.Ulyssesè entrata nellamagnetosfera di Gioveil 2 febbraio1992e ne è uscita il 14 febbraio. La traiettoria d'ingresso è stata simile a quella già seguita dalle altre sonde che l'hanno preceduta nel sorvolo del pianeta -Pioneer 10,11(1972,1973) eVoyager 1,2(1979) - ma, a differenza dalle precedenti,Ulyssesha raggiunto i 40°N dilatitudineal massimo avvicinamento, ad una distanza di 6RG, e si è poi allontanata verso alte latitudini meridionali, attraversando il crepuscolo. Inoltre,Ulyssesha attraversato il toro di plasma intorno all'orbita di Io in direzione nord-sud, rispetto all'attraversamento equatoriale dellaVoyager1.Durante il sorvolo,Ulyssesha rilevato un segnaleradioproveniente dal polo sud del pianeta che presentava una certa ripetitività. Il segnale si ripeteva ogni 40 minuti per alcune ore, per poi interrompersi e riprendere successivamente con la stessa modulazione. Alla ricezione del segnale, chiamato QP-40 (dove QP sta perquasi periodico), erano associate violente emissioni di elettroni altamente energetici. Nel febbraio del2003un segnale analogo proveniente però dal polo nord del pianeta è stato rilevato daltelescopio orbitanteChandra. Questi fenomeni sembrano originati dall'interazione del vento solare con la magnetosfera di Giove ed abbinati al fenomeno delleaurore polarisul pianeta.
L'orbita seguita dalla sonda la porta nel passaggio all'afelio a tornare in prossimità di Giove. L'avvicinamento del2003-04è stato sfruttato per continuare lo studio a distanza della magnetosfera gioviana. In questo secondo incontro però il massimo avvicinamento è avvenuto ad una distanza di 1683 RG(pari a circa 120 milioni di km), il 4 febbraio2004e la sonda si è sempre tenuta a monte della magnetosfera gioviana.Durante questo secondo sorvolo si è prestata particolare attenzione alla ricezione del segnale radio QP-40 proveniente dal polo nord del pianeta, rilevato infine nell'ottobre del2003.
Durante le fasi di crociera,Ulyssesha fornito dati unici essendo l'unica sonda che orbita al di fuori del piano dell'eclittica e dotata di uno strumento in grado di rilevare iraggi gamma.Ulyssesè stata un componente importante dellaInterPlanetary Network(IPN), una rete di sonde spaziali che permette di localizzare igamma ray burst(o lampi gamma) con sufficiente accuratezza da permetterne il loro successivo studio. I raggi gamma non possono essere focalizzati attraverso specchi ed è quindi difficile localizzarne la fonte. In alternativa, si è pensato di utilizzare una serie di sonde spaziali in volo nel sistema solare, dotate di un rilevatore di raggi gamma. In questo modo, valutando il ritardo (di frazioni di secondo) con cui il segnale raggiunge ognuna di esse, è possibile individuare la direzione di provenienza. Poiché i raggi gamma viaggiano alla velocità dellaluce, è necessario che le stazioni di rilevamento siano il più lontane possibile. Tipicamente, la determinazione di una fonte proviene dal confronto tra i dati raccolti da uno dei diversi satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra, da una sonda diretta verso ilsistema solare interno(aMarte,Venereo ad unasteroide) e daUlysses. QuandoUlyssesè stata in prossimità dell'afelio o delperielioe quindi del piano dell'eclittica, le determinazioni dei GRB han perso in accuratezza.
Nelle sue tre orbite intorno al Sole,Ulyssesha attraversato per ben tre volte materiale proveniente dallacodadi una cometa e ne ha rilevato le tipiche forme di interazione con ilvento solare, ovvero una decelerazione locale del vento solare associata alla distorsione delle linee del campo magnetico abbinate al flusso. Questi incontri hanno permesso di rilevare che le code delle comete mantengono una loro struttura anche a notevoli distanze dal nucleo. Ad esempio, nel caso dellacometa Hyakutake, la sonda ha rilevato la coda della cometa a più di 3UAdal nucleo, stabilendo un record nella dimensione delle code delle comete.L'incontro con il materiale dellacometa McNaught-Hartleyè stato reso possibile da una fortuitaespulsione di massa coronaleche l'ha trascinato verso la sonda.Infine, la sonda ha attraversato la coda dellacometa McNaughtnel2007rilevando la presenza per la prima volta di ioni dell'ossigenoOin prossimità di una cometa. Lo strumentoSolar Wind Ion Composition Spectrometer(SWICS) ha trovato che la velocità posseduta dal vento solare era all'incirca la metà di quella attesa a tale distanza dal Sole, ovvero di circa 360 km/s rispetto ai 750 km/s attesiSono state rilevate inoltre misure alternanti del campo magnetico, con zone in cui veniva registrato un valore più debole rispetto a quello mediamente associato al vento solare alla medesima distanza dal Sole e con direzione costante, radiale, verso il Sole - opposta a quella associata al vento solare durante ilciclo solareallora in corso - alternate a zone ridotte in cui le misure indicavano che il campo magnetico aveva riacquistato la direzione usuale, ovvero verso l'esterno. Queste misure sono coerenti con la struttura filamentosa della coda della cometa McNaught osservata con strumenti ottici.