Uno spettrometro di massa indaga le comete

Il 12 novembre 2014 l’Esa ha sorpreso il mondo sviluppando per la prima volta in assoluto un modulo di atterraggio sulla superficie di una cometa, nell’ambito della missione Rosetta. Anche Imec, in stretta collaborazione con il Bira-Iasb, l’Istituto Belga di Aeronomia Spaziale, ha preso parte a questa missione. Non sul modulo di atterraggio, ma su uno degli strumenti a bordo della sonda Rosetta che vola accanto alla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko nel suo viaggio verso il sole. Con questo strumento, gli scienziati del Bira-Iasb hanno già risolto una questione chiave: sono state le comete a portare l’indispensabile acqua sulla Terra? Gli esperti di aeronomia Eddy Neefs, Johan De Keyser e Frederik Dhooghe, esperti di aeronomia del Bira-Iasb, gettano ulteriore luce sulla missione Rosetta, spiegando i primi risultati importanti e il ruolo della tecnologia di Imec nell’ambito della missione. Il 2 marzo 2004 la sonda Rosetta fu lanciata verso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko per una missione della durata di dieci anni con l’obiettivo di orbitare attorno al nucleo della cometa per catturare immagini e per studiare la cometa. A questo scopo, a bordo del satellite erano presenti 11 strumenti scientifici e un modulo di atterraggio. Nel novembre 2014 questo modulo di atterraggio, noto come Philae, è atterrato sul nucleo della cometa per studiare la sua composizione sul posto. Mai prima di allora un velivolo spaziale era giunto così vicino a una cometa.

Le comete, i fossili del nostro sistema solare
Come spiega Johan De Keyser: “Il nucleo di una cometa può essere considerato come una palla di neve sporca, del diametro di qualche chilometro, composta di polvere e di ghiaccio. Quando si avvicina al sole, il ghiaccio sublima e la polvere viene rilasciata, formando l’atmosfera della cometa. Al pari di quanto avviene nell’atmosfera della Terra e in quelle di Venere e di Marte, il gas neutro presente nell’atmosfera della cometa si ionizza e si dissocia per effetto della luce ultravioletta proveniente dal sole.” Le comete possono rivelare maggiori informazioni sull’origine del nostro sistema solare, avvenuta più di 4 miliardi di anni fa. E forse anche sull’origine della vita sulla Terra. Frederik Dhooghe puntualizza: “Le comete si formarono nello stesso periodo in cui ebbe origine il nostro sistema solare. Esse si formarono al di fuori della cosiddetta “linea della neve”. In questa regione, la temperatura è così bassa che l’acqua e gli altri composti volatili rimangono permanentemente ghiacciati. Di conseguenza, la loro composizione si è più o meno preservata dalle origini del nostro sistema solare. E questo è il motivo per cui le comete portano con sé una grande quantità di informazioni su questo periodo di tempo. Con la missione Rosetta, intendiamo trovare la risposta a un interrogativo fondamentale: sono state le comete a fornire l’indispensabile acqua al nostro pianeta? Per trovare prove che avvallino questa ipotesi, dobbiamo misurare il rapporto fra deuterio e idrogeno (D/H). Questo rapporto è più o meno costante per un certo corpo celeste. La Terra, e più specificamente l’acqua presente sul nostro pianeta, possiede un certo rapporto D/H. Se fosse vero che le comete sono responsabili della presenza dell’acqua sulla Terra, dovremmo trovare lo stesso valore D/H nell’acqua presente nelle comete. In passato, per un grande numero di comete, la misura da remoto ha già rivelato valori superiori rispetto al valore riscontrato sulla Terra. Ma due comete della cosiddetta “famiglia di Giove” hanno mostrato esattamente lo stesso D/H presente sul nostro pianeta. 67P/Churyumov-Gerasimenko appartiene anch’essa a questa famiglia di comete, e questo rende la missione Rosetta altamente interessante.”

Lo spettrometro di massa
Per trovare una risposta a tutti questi interrogativi, il Bira-Iasb - in collaborazione con l’Università di Berna, in Svizzera, e con altri partner belgi e provenienti da altri Paesi - ha sviluppato lo spettrometro di massa a doppia focalizzazione o Dfms. Quest’ultimo è parte dello strumento Rosina (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis), uno degli 11 strumenti scientifici a bordo della sonda Rosetta. Lo spettrometro di massa è stato sviluppato per misurare gli ioni e le particelle neutre nell’atmosfera della cometa. La sezione di rilevazione è stata realizzata in gran parte in Belgio, dal Bira-Iasb, dall’OIP e da Imec.
Eddy Neefs spiega: “Una parte fondamentale del rivelatore è il Leda, la matrice lineare di rivelatori di elettroni. Imec ha progettato e ha fabbricato il chip, in base alle specifiche definite dal Bira-Iasb. Il chip Leda consiste in una matrice lineare di 512 anodi. Ciascun anodo è largo 25 micrometri ed è caratterizzato da una distanza inter-anodo di meno di 3 micrometri. Per motivi di ridondanza, la matrice è suddivisa in due righe elettronicamente indipendenti. Il Leda è montato dietro ad una piastra a microcanali, la quale converte gli ioni, ordinati per massa, in piccole nuvole di elettroni. Queste ultime vengono catturate dal Leda.” Per permettere la misura e l’identificazione degli ioni e dei componenti neutri nell’atmosfera della cometa, il chip doveva soddisfare dei requisiti stringenti. Puntualizza ancora Neefs: “Lo spettrometro di massa di fronte al modulo rivelatore è stato progettato per misurare la massa del gas della cometa con una risoluzione molto alta. Di conseguenza, abbiamo dovuto adattare il rivelatore per ottenere una simile risoluzione. Più nello specifico, la suddivisione dei valori di massa deve essere supportata dalla risoluzione dei pixel del rivelatore. E questa è una delle ragioni per cui ci siamo rivolti ad imec: il centro possiede le competenze necessarie per realizzare ciò su una tecnologia su semiconduttore molto avanzata. Con il chip, otteniamo una risoluzione di misura della massa di 1 su 3000, che è eccezionalmente buona. Questo facilita l’identificazione delle diverse particelle che misuriamo. L’intervallo di misura delle masse del Dfms è di 150 amu (unità di massa atomica). I pixel presentano un comportamento lineare e sono uniformi. Il chip è realizzato in tecnologia Cmos, è resistente alle radiazioni e sopporta le basse temperature. Inoltre, la sensibilità del chip e la sua velocità di acquisizione dati soddisfano le nostre aspettative.”

Sono state le comete a portare l’acqua sulla Terra?
L’appuntamento della sonda Rosetta con la cometa ha avuto luogo all’inizio di agosto 2014. Da allora in poi, Rosina “ha esplorato” l’atmosfera della cometa. Per preparare l’atterraggio di Philae nel novembre 2014, il satellite si è avvicinato molto al nucleo della cometa, a una distanza di circa 10 Km. Spiega Dhooghe: “Le misure di H2O e di HDO con i nostri Dfms ci hanno consentito di determinare il rapporto D/H dell’atmosfera della cometa. Questo ci ha consentito di rispondere ad uno degli interrogativi chiave della missione Rosetta. Il rapporto D/H della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko si è rivelato essere superiore rispetto al rapporto presente sulla Terra. La conclusione è che le comete come la 67P/Churyumov-Gerasimenko non sono la sorgente principale di acqua sulla Terra.”

Un’atmosfera eterogenea sulla coda della cometa
Rosina ha anche rivelato che la quantità di gas che fuoriesce dal nucleo della cometa mostra grandi fluttuazioni nel tempo, che corrispondono al periodo di rotazione della cometa. Come spiega De Keyser: "Anche la posizione sulla cometa ha un impatto su questa variazione. Oltre a ciò, abbiamo una chiara indicazione che neanche la composizione dell’atmosfera della cometa è uniforme. I componenti principali che misuriamo nella sua atmosfera sono idrogeno, monossido di carbonio e biossido di carbonio. Il rapporto di questi componenti varia in relazione alla posizione. In questo momento, disponiamo di informazioni sufficienti per concludere che neanche la composizione del ghiaccio sulla superficie della cometa è uniforme.”

In viaggio verso il sole
Nel frattempo, Rosetta prosegue il proprio viaggio verso il sole accanto alla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, e terminerà la propria missione alla fine del 2015. “In questo momento, la coda della cometa non è completamente sviluppata. Quando “Chury” si avvicinerà al sole, verrà rilasciato sempre più gas. Ciò è molto interessante, ma potrebbe anche complicare la missione. Speriamo di poterci avvicinare presto alla cometa e di essere in grado di esplorarla più da vicino” prosegue De Keyser. Nell’avvicinarci al sole, sorgono nuove speranze che il modulo di atterraggio Philae si risvegli: “Purtroppo, Philae molto probabilmente è finito fra due rocce, impedendo ai pannelli solari di alimentare la batteria. Quando si avvicinerà al sole, c’è una possibilità che si risvegli. Speriamo che le misure di Philae “sul campo” possano confermare le nostre scoperte” spiega De Keyser, mentre Dhooghe conclude: “Speriamo di poter proseguire le misure con il nostro strumento. Ciò nonostante, questa missione ha avuto finora grande successo. L’uomo è affascinato dalle comete da migliaia di anni. Con la nostra tecnologia, siano stati in grado di contribuire a dare risposta a uno dei molti interrogativi aperti che avvolgono di mistero le comete.”

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