LISA esploratore, una missione guidata dall'ESA (l'Agenzia Spaziale Europea) con il contributo della NASA, ha dimostrato con successo le tecnologie critiche necessarie per costruire un osservatorio spaziale per rilevare le increspature nello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali. Ora un team di scienziati della NASA spera di sfruttare la sensibilità da record del veicolo spaziale per mappare la distribuzione di minuscole particelle di polvere sparse da asteroidi e comete lontano dalla Terra.

La maggior parte di queste particelle ha masse misurate in microgrammi, simile a un piccolo granello di sabbia. Ma con velocità maggiori di 22, 000 miglia orarie (36, 000 km/h), anche i micrometeoroidi danno un pugno. Le nuove misurazioni potrebbero aiutare a perfezionare i modelli di polvere utilizzati dai ricercatori in una varietà di studi, dalla comprensione della fisica della formazione dei pianeti alla stima dei rischi di impatto per i veicoli spaziali attuali e futuri.

"Abbiamo dimostrato di avere una tecnica innovativa e che funziona, " disse Ira Thorpe, che guida il team del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Il prossimo passo è applicare con attenzione questa tecnica all'intero set di dati e interpretare i risultati".

L'obiettivo principale della missione era testare quanto bene il veicolo spaziale potesse volare in formazione con una coppia identica di cubi oro-platino da 1,8 pollici (46 millimetri) che galleggiavano al suo interno. I cubi sono masse di prova destinate ad essere in caduta libera e che rispondono solo alla gravità.

Il veicolo spaziale funge da scudo per proteggere le masse di prova da forze esterne. Quando LISA Pathfinder risponde alla pressione della luce solare e agli impatti di polvere microscopica, il veicolo spaziale compensa automaticamente sparando minuscole raffiche dai suoi propulsori micronewton per evitare che le masse di prova vengano disturbate.

Gli scienziati chiamano questo volo senza trascinamento. Nei suoi primi due mesi di attività all'inizio del 2016, LISA Pathfinder ha dimostrato il processo con una precisione circa cinque volte migliore dei suoi requisiti di missione, rendendolo lo strumento più sensibile per misurare l'accelerazione mai volato. Ora ha raggiunto il livello di sensibilità necessario per costruire un osservatorio completo di onde gravitazionali multi-astronave.

"Ogni volta che la polvere microscopica colpisce LISA Pathfinder, i suoi propulsori annullano la piccola quantità di quantità di moto trasferita al veicolo spaziale, ", ha detto il co-investigatore di Goddard Diego Janches. "Possiamo capovolgere la situazione e utilizzare i lanci del propulsore per saperne di più sulle particelle che colpiscono. Il rumore di una squadra diventa i dati di un'altra squadra".

Gran parte di ciò che sappiamo sulla polvere interplanetaria è limitato al vicinato della Terra, grazie in gran parte al Long Duration Exposure Facility (LDEF) della NASA. Lanciato nell'orbita terrestre dallo space shuttle Challenger nell'aprile 1984 e recuperato dallo space shuttle Columbia nel gennaio 1990, LDEF ha ospitato decine di esperimenti, molti dei quali sono stati progettati per comprendere meglio l'ambiente dei meteoroidi e dei detriti orbitali.

Le diverse composizioni, orbite e storie di diversi asteroidi e comete producono naturalmente polvere con una gamma di masse e velocità. Gli scienziati sospettano che le particelle più piccole e più lente siano potenziate nelle vicinanze della Terra, quindi i risultati LDEF non sono rappresentativi del sistema solare più ampio.

"Piccolo, le particelle lente vicino a un pianeta sono più suscettibili all'attrazione gravitazionale del pianeta, che chiamiamo focalizzazione gravitazionale, " ha detto Janches. Ciò significa che il flusso di micrometeoroidi vicino alla Terra dovrebbe essere molto più alto di quello sperimentato da LISA Pathfinder, situato a circa 930, 000 miglia (1,5 milioni di chilometri) più vicino al sole.

Per trovare gli impatti, Tyson Littenberg al Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Alabama, ha adattato un algoritmo da lui originariamente sviluppato per cercare le onde gravitazionali nei dati dei rivelatori a terra del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), situato a Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington. Infatti, è stato uno dei tanti algoritmi che hanno avuto un ruolo nella scoperta delle onde gravitazionali da parte di LIGO, annunciato nel febbraio 2016.

"Il modo in cui funziona è che facciamo un'ipotesi su come potrebbe essere il segnale, quindi studia come reagirebbero LIGO o LISA Pathfinder se questa ipotesi fosse vera, " ha spiegato Littenberg. "Per LIGO, stiamo indovinando la forma d'onda, i picchi e le valli dell'onda gravitazionale. Per LISA Pathfinder, stiamo ipotizzando un impatto."

Per mappare la probabilità di probabili fonti, il team genera milioni di scenari diversi che descrivono quale potrebbe essere la fonte e li confronta con ciò che il veicolo spaziale rileva effettivamente.

In risposta a un impatto, LISA Pathfinder aziona i suoi propulsori per contrastare sia la minuscola "spinta" dell'impatto che qualsiasi cambiamento nella rotazione della navicella. Insieme, queste quantità consentono ai ricercatori di determinare la posizione dell'impatto sul veicolo spaziale e ricostruire la traiettoria originale del micrometeoroide. Ciò potrebbe consentire al team di identificare singoli flussi di detriti e forse metterli in relazione con asteroidi e comete noti.

"Questa è una collaborazione molto bella, "ha detto Paul McNamara, lo scienziato del progetto LISA Pathfinder presso la Direzione della Scienza dell'ESA a Noordwijk, Paesi Bassi. "Questi sono i dati che usiamo per fare le nostre misurazioni scientifiche, e come conseguenza di ciò, Ira e il suo team possono parlarci delle microparticelle che colpiscono la navicella spaziale".

La sua posizione lontana, sensibilità alle particelle di piccola massa, e la capacità di misurare la dimensione e la direzione delle particelle impattanti rendono LISA Pathfinder uno strumento unico per lo studio della popolazione di micrometeoroidi nel sistema solare interno. Ma è solo l'inizio.

"Questa è una prova del concetto, ma speriamo di ripetere questa tecnica con un osservatorio completo di onde gravitazionali che l'ESA e la NASA stanno attualmente studiando per il futuro, " ha detto Thorpe. "Con più veicoli spaziali in orbite diverse e un tempo di osservazione molto più lungo, la qualità dei dati dovrebbe davvero migliorare."

LISA Pathfinder è gestito dall'ESA e include contributi della NASA Goddard e del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California. La missione lanciata il 3 dicembre 2015, e iniziò a orbitare attorno a un punto chiamato Terra-Sole L1, circa 930, 000 miglia (1,5 milioni di km) dalla Terra in direzione del sole, a fine gennaio 2016.

LISA sta per Laser Interferometer Space Antenna, un concetto di osservatorio spaziale delle onde gravitazionali che è stato studiato in grande dettaglio sia dalla NASA che dall'ESA. È un concetto esplorato per la terza grande missione del Cosmic Vision Plan dell'ESA, che mira a lanciare un osservatorio di onde gravitazionali nel 2034.