Minisatelliti per spiare asteroidi pericolosi

Come già illustrato in un precedente articolo, la decisione presa nel 1998 di catalogare tutti gli oggetti più pericolosi che incrociano l'orbita terrestre (i cosiddetti NEO con magnitudine assoluta H<18 ovvero un diametro superiore a 1 km) è stata poi realizzata con successo: nel 2005, grazie soprattutto al lavoro di telescopi robotizzati a terra, oltre il 90% di questi oggetti era noto e, per fortuna, nessuno di essi rischia di venirci addosso, almeno per i prossimi 100-200 anni. Proprio nel 2005, forte di questo successo e conscio del pericolo "locale" rappresentato da oggetti più piccoli ma molto più numerosi, il congresso americano accolse la proposta di catalogare tutti gli oggetti PHA (potentially Azardous Asteroids) che si avvicinano realmente alla Terra e che hanno diametro superiore ai 140m (H <22). Il congresso incaricò la NASA di scoprire, tracciare e caratterizzare il 90% di questi oggetti entro il 2020; già nel 2010, tuttavia, un rapporto del National Research Council ( NRC) ha dimostrato che un simile obiettivo è impossibile da raggiungere entro quella data, a meno di non lanciare una costosa missione spaziale con questo scopo. In quel rapporto, veniva preso in considerazione un telescopio spaziale di almeno 50cm di diametro da lanciare in orbita solare, in un punto di librazione lagrangiana (in equilibrio con l'attrazione della Terra e del Sole) o alla distanza di Venere, in modo da avere una visione completa di tutti gli oggetti che incrociano l'orbita terrestre. Il costo di una simile missione è di almeno 500 milioni di $, cifra che potrebbe lievitare considerando che la vita operativa prolungata necessaria a completare l'opera di catalogazione (8-10 anni) implica una straordinaria affidabilità e quindi una elevata ridondanza e un collaudo approfondito di tutto l'hardware; la conclusione del report è stata dunque una impossibilità di fatto nel raggiungere gli obiettivi prefissati dal congresso.

Adesso però un nuovo studio pubblicato da 4 ricercatori del JPL (Michael Shao, Slava G. Turyshev, Sara Spangelo, Thomas Werne) fa leva su alcune tecnologie innovative, non ancora sviluppate ai tempi del rapporto NRC, che potrebbero davvero permetterci di raggiungere quell'obiettivo con una spesa molto più contenuta e nel giro di pochi anni!

La prima e più importante innovazione consiste nell' "inseguimento sintetico" (Synthetic Tracking), che sostituisce la classica lunga esposizione (in cui le stelle risultano ferme e l'asteroide si rivela perché appare "mosso" rispetto ad esse, formando una scia) a una serie di brevi esposizioni che poi vengono combinate da un software in maniera da simulare vari possibili movimenti dell'asteroide, fino a farlo apparire "fermo" mentre sono le stelle a lasciare una scia. La tecnica di inseguimento, ben nota ad astronomi e astrofili che la usano per fotografare i corpi vicini del sistema solare e in particolar modo le comete, evita il mosso e perciò aumenta drasticamente il rapporto "segnale/rumore", come mostrato nell'immagine in basso (si notino, nella figura a destra, le stelle "strisciate" e l'asteroide puntiforme):

Il metodo del "Synthetic Tracking" applicato al telescopio di mt Palomar ha permesso di rivelare un asteroide di magnitudine apparente 23 facendolo "emergere" dal rumore di fondo

nel caso dell'inseguimento sintetico, se l'allineamento dei frames è quello giusto, permette di far "apparire" l'asteroide "integrando" (ovvero sommando sempre nello stesso punto) il suo debole segnale; se l'allineamento non è quello giusto, invece, l'effetto "mosso" renderebbe il segnale troppo debole localmente ed esso verrebbe facilmente sovrastato dal rumore del sensore. Qui viene in soccorso anche una seconda innovazione tecnologica recente, ovvero l'introduzione di nuovi dispositivi CCD a moltiplicazione di carica ( EMCCD), sensori con un basso rumore intrinseco e una elevata velocità di lettura, essenziale per l'utilizzo in modalità di tracciamento sintetico poiché riduce i tempi morti tra le numerose riprese consecutive.

E' chiaro che questo approccio rivoluzionario, possibile grazie alle moderne capacità di calcolo elevate, permette di ridurre drasticamente la quantità di luce raccolta per rivelare un debole oggetto in movimento e quindi le dimensioni del telescopio possono venire rimpicciolite notevolmente. E qui entra in gioco la seconda innovazione, legata allo sviluppo dei CubeSat ovvero mini-satelliti a basso costo che vengono spesso lanciati in grappolo insieme ad altri carichi più impegnativi.

A dire il vero, la stessa tecnica potrebbe essere utilizzata anche con più economici telescopi a terra, ma la migliore precisione astrometrica raggiungibile nello spazio, insieme alla eliminazione del chiarore di fondo dovuto all'atmosfera, danno un vantaggio ulteriore e permettono di rivelare con successo un asteroide di 140m che passa a 0,4 unità astronomiche di distanza (60 milioni di km) con un piccolo telescopio di soli 10cm sommando tra loro una trentina di riprese consecutive con un tempo di esposizione di 10s ciascuna, mentre con un telescopio a terra, usando il metodo classico, sarebbe necessaria una apertura di almeno 50cm con tempi di esposizione più brevi (necessari per evitare la "strisciata" dell'asteroide). Inoltre, il metodo basato sul tracciamento sintetico risulta ancora più efficace nel caso in cui l'asteroide fosse più vicino e veloce perché annullerebbe comunque la perdita di sensibilità dovuta all'effetto "mosso".

I CubeSat più piccoli (tipo 1U) hanno un volume di 1 litro (10x10x10 cm) e una massa che non supera 1,3 kg; utilizzano componenti commerciali e hanno un costo compreso tra 1 e 2 M$. Nel progetto proposto, verrebbe impiegata una flotta di 5 Cubesat di tipo 9U (30 cm di lato), ciascuno dotato di un rifrattore con apertura di 10cm e sensore 4000x4000 di tipo sCMOS, con una scala di 3,3 secondi d'arco per pixel.

Rappresentazione CAD del piccolo telescopio da installare su ciascun CubeSat

Ogni zona di cielo verrebbe ripresa per 5 minuti con 30 esposizioni da 10 secondi ciascuna, da combinare poi in 520 modi diversi in maniera da assecondare tutti i possibili movimenti di un asteroide che, durante l'osservazione, si sposti nel cielo ad un tasso compreso tra 2 e 22 pixel in ciascuna direzione (ascensione retta e declinazione). Se, in una di queste 520 integrazioni sintetiche, viene rivelato un oggetto puntiforme che sia almeno 4 volte più intenso del rumore di fondo (SNR=4σ) allora una ulteriore indagine più raffinata viene effettuata su quella regione, utilizzando un passo ridotto; nel caso di ulteriore conferma, stavolta con un livello di significatività molto maggiore (7σ), l'oggetto viene classificato come "nuova scoperta" e viene osservato 2 ore dopo per affinarne la stima del moto apparente e stabilire un'orbita grossolana; ulteriori osservazioni effettuate stavolta da Terra su intervalli di tempo più lunghi (giorni/settimane) permetteranno poi di stabilirne con precisione caratteristiche, orbita e possibile pericolosità.

Possibile disposizione dei 5 satelliti all'interno dell'orbita venusiana, con l'indicazione del loro movimento in 1 mese (tratti in viola).

Nei vari scenari di implementazione presentati nell'articolo, risulta comunque chiaro che, se posti in una orbita eliocentrica a circa 0,7 ua dal Sole (più o meno la stessa orbita di Venere), una flotta di soli 4 o 5 satelliti dotati di un campo di vista di 14 gradi quadrati sarebbe in grado di scoprire il 90% degli oggetti PHA in 4 e 3 anni rispettivamente (si veda figura in basso). Quello di 3-4 anni è, non a caso, il tempo tipico di vita dei CubeSat lanciati fino ad oggi. Inoltre, si capisce che, contrariamente al caso di un singolo costoso satellite, il fallimento di un singolo CubeSat non comprometterebbe affatto la missione ma si tradurrebbe solo in un contenuto aumento del tempo necessario a completarla!

Frazione di asteroidi PHA rivelati dal sistema in orbita venusiana, al variare del numero di satelliti.

Lo studio mette infine in evidenza come quello dei mini-satelliti in orbita solare sia l'unico metodo efficiente ed economicamente percorribile per estendere la ricerca anche al di sotto dei 140m, fino a scoprire oggetti di 30-50m il cui impatto al suolo avrebbe comunque effetti locali devastanti (si pensi al celebre evento di Tunguska del 1908). C'è da scommettere che questo sarà il nuovo, definitivo obiettivo della prossima campagna di mitigazione del rischio appena verrà completata quella attuale.

Riferimenti NASA Asteroid Initiative website:
http://www.nasa.gov/mission_pages/asteroids/initiative/index.htmlArticolo descritto: http://arxiv.org/abs/1503.07944