Quando gli astronauti dell'Apollo sbarcarono sulla Luna, portarono con sé dispositivi chiamati retroriflettori, che sono essenzialmente piccole serie di specchi. Il piano prevedeva che gli scienziati sulla Terra puntassero i laser su di loro e calcolassero il tempo impiegato dai raggi per tornare. Ciò ha fornito misurazioni eccezionalmente precise dell'orbita e della forma della Luna, incluso come è leggermente cambiato in base all'attrazione gravitazionale della Terra.

La ricerca con questi retroriflettori lunari dell'era Apollo continua fino ad oggi, e gli scienziati vogliono eseguire esperimenti simili su Marte. Il rover Perseverance della NASA, programmato per atterrare sul pianeta rosso il 18 febbraio, 2021:trasporta l'array laser retroriflettore (LaRA) palmare. Ce n'è anche uno piccolo a bordo del lander InSight dell'agenzia, chiamato Laser Retroriflettore per InSight (LaRRI). E un retroriflettore sarà a bordo del rover ExoMars dell'ESA (Agenzia spaziale europea) che verrà lanciato nel 2022.

Sebbene attualmente non ci siano laser in lavorazione per questo tipo di ricerca su Marte, i dispositivi sono orientati verso il futuro:riflettori come questi potrebbero un giorno consentire agli scienziati che conducono la cosiddetta ricerca a raggio laser di misurare la posizione di un rover sulla superficie marziana, testare la teoria della relatività generale di Einstein, e contribuire a rendere più precisi i futuri atterraggi sul Pianeta Rosso.

"I retroriflettori laser sono brillanti, indicatori di posizione puntiformi, " disse Simone Dell'Agnello, che ha guidato lo sviluppo di tutti e tre i retroriflettori presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano, che ha realizzato i dispositivi per conto dell'Agenzia Spaziale Italiana. "Poiché sono semplici e non richiedono manutenzione, possono lavorare per decenni."

Una scatola di specchi

I dispositivi funzionano molto come un riflettore per bici, far rimbalzare la luce nella direzione della sua sorgente. LaRA di Perseverance, Per esempio, è una cupola larga 2 pollici (5 centimetri) punteggiata di fori da mezzo pollice contenenti celle di vetro. In ogni cella, tre facce specchiate sono posizionate ad angoli di 90 gradi l'una dall'altra in modo che la luce che entra nei fori sia diretta indietro esattamente nella stessa direzione da cui proveniva.

LaRA è molto più piccolo dei retroriflettori sulla Luna. I primi, consegnato dalle missioni Apollo 11 e 14, hanno circa le dimensioni di un tipico monitor di computer e sono incorporati con 100 riflettori; quelli forniti da Apollo 15 sono ancora più grandi e incorporati con 300 riflettori. Questo perché i laser devono viaggiare fino a 478, 000 miglia (770, 000 chilometri) sulla Luna e ritorno. Per il viaggio di ritorno, i raggi sono così deboli, non possono essere rilevati dall'occhio umano.

I raggi che LaRA di Perseverance e LaRRI di InSight sono stati costruiti per riflettere avrebbero effettivamente un viaggio molto più breve, nonostante Marte si trovi a circa 249 milioni di miglia (401 milioni di chilometri) di distanza nel suo punto più lontano dalla Terra. Piuttosto che viaggiare avanti e indietro dalla Terra, che richiederebbero enormi retroriflettori, i raggi laser avrebbero solo bisogno di viaggiare avanti e indietro da un futuro orbiter marziano dotato di un laser appropriato.

Scienza illuminante

Un simile orbiter potrebbe determinare la posizione precisa di un retroriflettore sulla superficie marziana. E poiché la Perseveranza sarà mobile, potrebbe fornire molteplici punti di riferimento. Nel frattempo, la posizione dell'orbiter verrebbe tracciata anche dalla Terra. Ciò consentirebbe agli scienziati di testare la teoria della relatività generale di Einstein, come hanno fatto con i retroriflettori sulla Luna. L'orbita di ogni pianeta è fortemente influenzata dalla curvatura nello spazio-tempo creata dalla grande massa del Sole.

"Questo tipo di scienza è importante per capire come la gravità modella il nostro sistema solare, tutto l'universo, e infine i ruoli della materia oscura e dell'energia oscura, Ha osservato Dell'Agnello.

Nel caso del lander InSight, che è atterrato il 26 novembre, 2018, la scienza del raggio laser potrebbe anche aiutare la missione principale del veicolo spaziale di studiare l'interno profondo di Marte. InSight si basa su uno strumento radio per rilevare sottili differenze nella rotazione del pianeta. Nell'apprendere dallo strumento come il pianeta oscilla nel tempo, gli scienziati possono finalmente determinare se il nucleo di Marte è liquido o solido.

E se il team scientifico fosse in grado di usare il catarifrangente del lander, potrebbero ottenere dati di posizionamento ancora più precisi di quelli forniti dalla radio di InSight. LaRRI potrebbe anche rilevare come il terreno InSight si trova su turni nel tempo e in quale direzione, rivelando come la crosta marziana si espande o si contrae.

Migliori atterraggi su Marte

Gli atterraggi su Marte sono difficili. Per aiutare a portare Perseverance in superficie in sicurezza, la missione si baserà sulla navigazione relativa al terreno, una nuova tecnologia che confronta le immagini scattate durante la discesa con una mappa di bordo. Se l'astronave vede se stessa avvicinarsi troppo al pericolo (come una scogliera o dune di sabbia), può deviare.

Ma in un evento così mission-critical, non puoi mai avere troppi backup. Le future missioni che si dirigono verso la superficie del Pianeta Rosso potrebbero utilizzare la serie di punti di riferimento dei retroriflettori laser come controllo sulle prestazioni dei loro sistemi di navigazione relativa al terreno e forse anche aumentare la loro precisione fino a pochi centimetri. Quando la differenza tra atterrare con successo vicino a una formazione geologica allettante o scivolare lungo il ripido pendio di una parete di un cratere può essere misurata in pochi piedi, i retroriflettori potrebbero essere critici.

"Il raggio laser potrebbe aprire nuovi tipi di esplorazione di Marte, Disse Dell'Agnello.

Maggiori informazioni sulla missione

Un obiettivo chiave per la missione di Perseverance su Marte è l'astrobiologia, compresa la ricerca di segni di antica vita microbica. Il rover caratterizzerà anche il clima e la geologia del pianeta, spianare la strada all'esplorazione umana del Pianeta Rosso, ed essere la prima missione planetaria a raccogliere e nascondere rocce e regolite marziane (roccia e polvere spezzate). Missioni successive, attualmente all'esame della NASA in collaborazione con l'Agenzia Spaziale Europea, invierebbe veicoli spaziali su Marte per raccogliere questi campioni memorizzati nella cache dalla superficie e riportarli sulla Terra per un'analisi approfondita.

Gestito per la NASA da JPL, una divisione di Caltech a Pasadena, California, il rover Mars 2020 Perseverance fa parte di un programma più ampio che include missioni sulla Luna come mezzo per prepararsi all'esplorazione umana del Pianeta Rosso. Incaricato di riportare gli astronauti sulla Luna entro il 2024, La NASA stabilirà una presenza umana sostenuta su e intorno alla Luna entro il 2028 attraverso i piani di esplorazione lunare Artemis della NASA.