Cassini-Huygens: un meraviglioso viaggio tra gli anelli di Saturno

Ripercorriamo una delle missioni più prolifiche della storia della NASA, la storia del progetto Cassini-Huygens e dell'esplorazione di Saturno.

Cassini-Huygens: un meraviglioso viaggio tra gli anelli di Saturno
INFORMAZIONI SCHEDA
Articolo a cura di

Quando la NASA progettò la traiettoria designata per la sonda Voyager 1, gli scienziati individuarono un obiettivo ben preciso, che doveva essere studiato in modo particolarmente approfondito: Titano.
Una volta raggiunta la sua orbita, però, come vi abbiamo raccontato nel nostro speciale sul Programma Voyager, accadde un imprevisto: la presenza di un'atmosfera che circondava la luna di Saturno era nota, ma non si era consapevoli del suo spessore, il quale, di fatto, impedì alla strumentazione della sonda di analizzarne la superficie.
La volontà di scoprire di più di questo lontano mondo alieno, di saperne di più di Saturno, dei suoi anelli e non solo, spinse la NASA a organizzare una nuova missione, conclusasi poco tempo fa, che ci ha regalato alcune delle più belle immagini e alcuni dei momenti più emozionanti nella storia dell'esplorazione del nostro Sistema Solare: la missione Cassini-Huygens.

Cassini e Huygens

Il nostro racconto inizia, doverosamente, con una parentesi dedicata ai due scienziati in onore dei quali questa missione fu nominata: Giovanni Domenico Cassini e Christiaan Huygens. Giovanni Domenico Cassini nacque in provincia di Imperia nel 1625 e durante la sua vita si dedicò a diverse discipline, dalla matematica all'astronomia, dall'ingegneria alla biologia.

Fu professore di astronomia presso l'Università di Bologna e rettore dell'Osservatorio di Parigi dal 1671. Fu proprio il suo lavoro come astronomo a renderlo uno degli scienziati più importanti che si siano mai occupati dello studio del Sistema Solare. Insieme al fisico inglese Robert Hooke scoprì la Grande Macchia Rossa di Giove, una gigantesca tempesta situata nell'emisfero meridionale del grande gigante gassoso che perdura da almeno tre secoli, e fu il primo ad osservare quattro delle lune più importanti di Saturno: Dione, Teti, Rea e Giapeto. Proprio duranti gli studi condotti su questo pianeta, Cassini scoprì la divisione che fu poi successivamente intitolata a lui, la Divisione di Cassini, situata tra i due anelli principali che contornano Saturno.

Christiaan Huygens, invece, fu un astronomo e fisico olandese i cui studi spaziarono su diversi ambiti: si occupò di ottica e grazie al suo lavoro vi fu un miglioramento nella funzionalità degli strumenti utilizzati per l'osservazione astronomica, ma collaborò anche con Newton a uno studio sullo schiacciamento del globo terrestre. Inoltre, ipotizzò la natura ondulatoria della luce e diede un contributo importante in diversi altri campi della fisica.
Soffermandoci su quanto fatto in ambito astronomico, a lui si deve la scoperta di Titano, il più grande satellite di Saturno al quale dedicò una parte importante dei suoi studi, e un'osservazione della Nebulosa di Orione che gli permise, tramite il suo telescopio, di osservarne le regioni più interne e persino la sua divisione in singole stelle.

Il frutto di un'importante collaborazione

L'ispirazione per la pianificazione della missione Cassini-Huygens venne dalle precedenti sonde che si avvicendarono nell'analisi di Saturno e delle sue lune. Da una parte l'incompletezza dei dati raccolti e dall'altra le nuove affascinanti scoperte richiedevano a gran voce nuove esplorazioni con strumentazioni migliori, in grado di dare risposte alla miriade di nuove domande nate negli anni precedenti.
Fu così che nacque un team di scienziati ed ingegneri provenienti dalle due principali agenzie spaziali di Europa e Stati Uniti, NASA ed ESA, che aveva il compito di progettare le missioni successive al programma Voyager.

Alla luce del fallimento della precedente esplorazione di Titano compiuta da Voyager 1 durante il suo fly-by, si decise di suddividere la missione in due parti.
La prima sarebbe stata svolta da una sonda posizionata nell'orbita di Saturno per studiare in maniera più approfondita il pianeta stesso e i suoi anelli, mentre la seconda sarebbe stata affidata a un rover da far scendere proprio sullo stesso Titano.

Il piano originale prevedeva che la sonda venisse trasportata a bordo di uno Space Shuttle, ma, in seguito a quanto avvenuto nel disastro del Challenger, si decise di utilizzare un lanciatore militare Titan IV.
Nonostante questa scelta, i problemi che dovettero essere affrontati per poter avviare la missione furono diversi: il più importante fu il netto taglio di finanziamenti che il progetto subì da parte del Congresso degli Stati Uniti, superato anche grazie alla stretta collaborazione tra le due agenzie spaziali.

Il secondo fu una causa legale che la NASA dovette affrontare quando alcuni gruppi ambientalisti si opposero, arrivando persino in tribunale, al fly-by che la Cassini-Huygens avrebbe effettuato nei confronti della Terra, temendo che il suo generatore termoelettrico a radioisotopi, che forniva alimentazione alla sonda, potesse essere un pericolo per il nostro pianeta in caso di incidente. La Corte Federale della Hawaii, presso la quale gli ambientalisti si erano rivolti, respinse la mozione e la missione poté continuare come pianificato.

La sonda Cassini-Huygens

Analizzando la struttura della sonda, conviene tener conto del fatto che la sua progettazione fu pesantemente influenzata dai ripetuti tentativi, alcune volte andati a buon fine, di tagliare i fondi destinati alla missione. Alcuni degli strumenti vennero letteralmente riciclati dai pezzi di ricambio di precedenti missioni come la Voyager.
Il primo problema da risolvere fu, ovviamente, legato all'alimentazione: i raggi solari non potevano essere considerati la fonte di energia principale a causa della grande distanza dal Sole e, di conseguenza, si ricorse ad un terzetto di generatori termoelettrici a radioisotopi, i quali sfruttavano il calore derivante dal decadimento di una piccola quantità di plutonio contenuto al loro interno per generare energia.

A bordo della sonda vennero, poi, montati alcuni strumenti dedicati ad analisi specifiche dei diversi corpi celesti: all'Imaging Science Subsystem, composto da due fotocamere distinte, venne affidato il compito di catturare le immagini che ancora oggi ammiriamo cercando negli archivi della missione, mentre strumenti come il Visible and Infrared Mapping Spectrometer e il Radar vennero utilizzati per studiare le superfici di Titano e di altre lune di Saturno.
Il Cosmic Dust Analyzer fu, invece, il dispositivo utilizzato per analizzare le polveri che compongono gli anelli di Saturno. La strumentazione della sonda fornì anche la possibilità agli scienziati di studiare la magnetosfera di Saturno, gli effetti del vento solare sul suo Sistema Planetario, il comportamento delle particelle emesse dalle intense eruzioni su Encelado e l'atmosfera dei diversi oggetti analizzati.

Una rotta attraverso il Sistema Solare

Dopo un travagliato processo di pianificazione della data di lancio, essa cambiò diverse volte a causa dei tagli di bilancio citati in precedenza. Finalmente, il 15 ottobre 1997 un razzo Titan IV con a bordo la Cassini-Huygens partì da Cape Canaveral dando così inizio alla missione.

La rotta prevedeva lo sfruttamento di diverse fionde gravitazionali tramite una serie di fly-by di alcuni corpi celesti del Sistema Solare.
Il primo obiettivo della missione fu Venere. Il pianeta venne avvicinato due volte, nell'aprile del 1998 e nel dicembre del 1999; le due manovre fornirono alla sonda la necessaria velocità per poter superare la Fascia Principale di Asteroidi. Successivamente, anche il Pianeta Terra venne avvicinato per ottenere un'ulteriore accelerazione ed effettuare alcuni scatti di calibrazione delle fotocamere. La tappa seguente del viaggio fu un asteroide della Fascia Principale denominato 2685 Masursky, del quale la sonda scatto alcune foto ed effettuò alcune misurazioni che permisero di determinarne il diametro.
In seguito, la sonda iniziò l'avvicinamento alla prima, importante tappa del suo lungo viaggio: Giove.

Il gigante gassoso fu il primo grande obiettivo verso il quale la Cassini-Huygens rivolse i suoi strumenti. Durante il periodo di permanenza nell'orbita di Giove, che si è protratto per circa tre mesi, la sonda scattò più di 26000 foto del pianeta, ne analizzò l'atmosfera permettendo uno studio approfondito delle intense correnti che la attraversano, fornì agli scienziati delle immagini con una qualità mai vista prima della Grande Macchia Rossa, una gigantesca tempesta di alta pressione che dura da almeno tre secoli, e identificò un ulteriore uragano collocato nei pressi del Polo Nord di Giove, cui venne dato il nome di Grande Macchia Scura, un nome derivato dal suo aspetto più scuro.

Rispetto alla Grande Macchia Rossa, però, furono notate delle differenze, a cominciare dalla sua collocazione negli strati più alti dell'atmosfera gioviana e dalla sua intensità e durata. Venne registrato, infatti, tramite alcune foto scattate durante l'allontanamento dal pianeta, che la Grande Macchia Scura si stava esaurendo.
Terminato il fly-by di Giove, la sonda si diresse verso il suo obiettivo finale: il Sistema Planetario di Saturno.

Le Lune di Saturno

Ciò che sicuramente risulta più "memorabile" riguardo all'esplorazione compiuta dalla Cassini-Huygens del Sistema Planetario di Saturno, è lo studio del pianeta stesso e dei suoi anelli, oltre che la discesa sulla superficie di Titano.

Ma la sonda fece molto di più, andando a effettuare dei fly-by dedicati ad alcune lune dalle quali ottenne immagini e dati di grande importanza. Riuscì, ad esempio, a scattare le prime foto dettagliate di Febe, che la Voyager 2 non riuscì precedentemente a immortalare in modo dettagliato, mostrando una superficie costellata di crateri, nei quali si ipotizzò la presenza di distese di ghiaccio d'acqua.
Sorvolò a distanza ravvicinata Giapeto, un altro satellite di Saturno sulla cui composizione nacquero diverse domande: ci si chiedeva, infatti, come mai l'emisfero rivolto verso Saturno fosse più luminoso di quello a lui opposto. Si ipotizzò, grazie ai dati rilevati dalla sonda, che questo fosse dovuto al moto orbitale di Giapeto: la faccia opposta a Saturno subiva un maggior impatto da parte della radiazione solare; il ché portava a una sublimazione dell'acqua superficiale che tendeva a spostarsi verso le regioni più luminose. Altri satelliti, come Rea, Dione e Iperione vennero sorvolati diverse volte al fine di catturare immagini più dettagliate della loro superficie, con risultati sorprendenti.

La luna che riservò le maggiori sorprese, al di là di quanto osservato di Titano, è Encelado. Lo studio della sua atmosfera e della sua superficie portò ad alcune importanti scoperte.

Venne osservata la spessa calotta di ghiaccio che lo ricopre, e su di essa fu possibile osservare delle crepe dalle quali fuoriuscivano dei potenti geyser che vennero studiati grazie a un fly-by molto ravvicinato, che permise alla sonda di passare attraverso uno di questi enormi getti, rilevando acqua, anidride carbonica ed idrocarburi che andavano a costituire la leggera atmosfera di Encelado.
Anni di rilevamenti e studi condotti sui dati inviati, hanno permesso agli scienziati di arrivare ad alcune importanti conclusioni: sotto la superficie del satellite è presente un oceano di acqua salata e le reazioni che portano alla formazione dei geyser potrebbero avvenire nelle vicinanze di sorgenti idrotermali, attorno alle quali potrebbero essersi sviluppate delle forme di vita, esattamente come accade sulla Terra. Solo successive missioni, però, potranno confermare o smentire quest'ultima teoria.

Il numero elevato di fly-by e analisi effettuate fu possibile grazie a due diverse estensioni del programma spaziale: la Cassini Equinox Mission, durante la quale la sonda poté studiare gli anelli posizionati di taglio e scoprì delle caratteristiche altrimenti non rilevabili, e la Cassini Solstice Mission, nominata così perché, vista la durata della missione che aveva raggiunto i sette anni, fu possibile studiare il pianeta attraverso l'intera alternanza delle stagioni di Saturno.

Saturno ed i suoi anelli

Le osservazioni, più o meno ravvicinate, di Saturno ci hanno consegnato dati e immagini che rimarranno nella storia e che, se osservate ancora oggi, risultano molto suggestive.

Nei suoi fly-by, la Cassini-Huygens ha potuto aiutare il team di scienziati a studiare più approfonditamente la rotazione del pianeta, ottenendo dati in grado di confermare quanto già osservato dalla Terra, anche se successive analisi portarono alla scoperta di una differenza di circa 6 minuti su quanto precedentemente calcolato.
La sua atmosfera venne studiata a fondo insieme alle impetuose correnti che si muovono al suo interno e vennero scattate delle incredibili foto a una violenta tempesta ribattezzata Grande Macchia Bianca. Lunga circa 300.000 chilometri e larga circa 15.000, è considerata la più grande perturbazione del Sistema Solare. Si tratta di un evento che si ripete ciclicamente ogni trent'anni e influisce sul pianeta in modo significativo: è stato registrato un aumento della temperatura di più di 80 °C dell'atmosfera e anche della concentrazione di etilene di circa cento volte.
La sonda riuscì a catturare foto spettacolari anche dei due giganteschi uragani situati ai poli del pianeta, mostrando con maggiore dettaglio il misterioso esagono situato al Polo Nord e fornendo più informazioni sull'uragano situato, invece, al Polo Sud, con venti oltre i 500 Km/h e un occhio del ciclone particolarmente definito, caratteristica che lo rende unico nel Sistema Solare.

La sonda si immerse anche tra gli anelli di Saturno per studiarne la composizione e l'età.
Si scoprì che essi sono formati in prevalenza da agglomerati di ghiaccio di diverse dimensioni e polveri: il loro spessore varia dai 10 metri al chilometro e, grazie ad alcune suggestive foto scattate, vennero scoperte delle protuberanze grandi come montagne.
Le osservazioni, tuttavia, non aiutarono nel chiarire i dubbi sulle origini di questi anelli: si ipotizza che abbiano alcune decine di milioni di anni, ma si tratta di ipotesi non ancora comprovate.

Titano

Il 25 dicembre 2004 il lander Huygens venne sganciato per la sua discesa verso la superficie di Titano, l'altro vero grande obiettivo della missione.
Sin dall'inizio della discesa, il lander si mise immediatamente al lavoro: vennero scattate diverse foto della superficie, i suoi strumenti analizzarono l'atmosfera studiandone la densità e le correnti che la attraversano, la pressione, la temperatura e la composizione fino al touchdown avvenuto il 14 gennaio 2005.

Una volta raggiunto il suolo di Titano, Huygens continuò a inviare dati e immagini per un'ora, più di quanto si stimava sarebbero durate le sue batterie, prima di spegnersi completamente. I dati combinati, forniti da Cassini e Huygens, permisero di formulare ipotesi circa la presenza di un oceano di metano sotto la superficie del satellite, oltre a quelli rilevati al di sopra di essa.

Il Gran Finale

Durante l'ultima estensione della missione il team di scienziati dovette decidere anche il destino di Cassini. Con Huygens che ormai aveva terminato il suo operato sulla superficie di Titano, rimaneva il problema di come gestire la sonda una volta che si fosse trovata senza carburante e quindi impossibilitata a compiere alcuna manovra. Non essendo stata preparata per il contatto con la superficie di un corpo celeste estraneo alla Terra, non furono applicati i trattamenti invece effettuati su Huygens per impedire il trasporto involontario di microorganismi che sarebbero potuti sopravvivere anche ad un viaggio lungo come quello della sonda: si decise, quindi, di terminare la sua missione in modo spettacolare, con un tuffo dentro lo stesso Saturno.

L'11 settembre 2017 venne effettuato l'ultimo fly-by di Titano, che venne definito il Bacio d'Addio. Dopo un'ultima ripresa della stessa luna e di Encelado, Cassini iniziò a precipitare verso il pianeta: era il 14 settembre.
I suoi strumenti vennero tenuti in funzione fino all'ultimo e continuarono a inviare dati sull'atmosfera di Saturno. Le comunicazioni si interruppero alle 11.55 del 15 settembre, con la sonda presumibilmente distrutta dall'attrito generato dal contatto di Cassini con le dense nubi di gas.

Un'eredità importante

Il finale della missione Cassini-Huygens venne trasformato in un evento mediatico dalla NASA, che per questo motivo vinse anche un Emmy. Ma all'intera comunità scientifica - e a tutti noi - resta molto di più: una mole impressionante di dati che verranno analizzati per anni dagli scienziati, oltre a delle immagini mozzafiato di mondi così distanti dal nostro.

Resta la suggestione di aver visto un oggetto creato sulla Terra posarsi su un suolo alieno e una sonda volare tra gli anelli di Saturno, che con il loro operato hanno alimentato ancora di più la nostra voglia di esplorare l'universo che ci circonda.

Image credits:
NASA
ESA