La navicella spaziale Lucy della NASA verrà lanciata nell'ottobre 2021 per un viaggio di 12 anni verso gli asteroidi troiani di Giove. La missione Lucy includerà tre assistenti alla gravità terrestre e visite a otto asteroidi.

Chiamato "Trojans" dopo i personaggi della mitologia greca, la maggior parte degli asteroidi bersaglio di Lucy sono rimasti dalla formazione del sistema solare. Questi troiani circondano il sole in due sciami:uno che precede e uno che segue Giove nella sua orbita del sole. Lucy sarà la prima navicella spaziale a visitare i Troiani, e il primo ad esaminare così tanti obiettivi indipendenti del sistema solare, ciascuno nella propria orbita del sole.

Studiare da vicino gli asteroidi troiani di Giove aiuterebbe gli scienziati ad affinare le loro teorie su come i pianeti del nostro sistema solare si sono formati 4,5 miliardi di anni fa e perché sono finiti nella loro configurazione attuale. "È quasi come se stessimo viaggiando indietro nel tempo, " disse l'ingegnere aerospaziale Jacob Englander, che ha aiutato a progettare la traiettoria di Lucy mentre lavorava al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

Concepito per la prima volta sette anni fa come missione su due asteroidi, Lucy si è espansa a proporzioni epiche grazie all'ingegneria creativa e al tempismo impeccabile. Alcuni immaginano che anche il karma possa aver avuto qualcosa a che fare con questo:"Spesso scherzo dicendo che ho passato la mia carriera adorando ai piedi degli dei della meccanica celeste, " ha detto il principale investigatore di Lucy Harold Levison, un esperto di dinamiche planetarie con sede a Boulder, Colorado, filiale del Southwest Research Institute (SwRI), che ha sede a San Antonio. "Ora ci stanno ripagando per quella devozione."

La traiettoria

Secondo la leggenda della missione, il momento che ha cambiato tutto è stato nel 2014, alcuni anni prima che la NASA scegliesse Lucy per il volo. Brian Sutter, progettista di traiettorie di lunga data della missione Lockheed Martin Space a Littleton, Colorado, stava guidando Levison attraverso una simulazione al computer del percorso proposto da Lucy attraverso il sistema solare.

A Levison sembrava che Lucy avrebbe passato Patroclo verso i suoi obiettivi ufficiali; Patroclo è uno di una coppia di asteroidi troiani che orbitano l'uno intorno all'altro. All'insaputa di Sutter in quel momento, Patroclo è uno dei troiani preferiti di Levison. Bloccato in un'orbita binaria con il suo quasi gemello Menoetius, è una razza rara e misteriosa all'interno dell'orbita di Nettuno. La maggior parte degli asteroidi che si sono insediati nel sistema solare interno avrebbero dovuto essere strappati ai loro partner durante il turbolento periodo di formazione dei pianeti che è stato caratterizzato da massicce collisioni.

In che modo questa coppia è rimasta intatta? La risposta potrebbe contenere importanti indizi sui tempi e sull'esecuzione della formazione dei pianeti, ha detto Levison. "Non so perché Brian abbia scelto di includere Patroclo; forse era uno dei più grandi, forse gli piaceva il nome, " disse. "Ma quando l'ho visto, Ricordo di aver gridato "Aspetta, aspetta:possiamo andarci?'"

Sutter ha progettato traiettorie di veicoli spaziali per decenni, inclusi quelli per la missione di restituzione del campione di asteroidi della NASA OSIRIS-REx e Mars Odyssey Orbiter della NASA, con la navicella spaziale costruita da Lockheed Martin. Ha incluso Patroclo e Menezio nella simulazione della traiettoria di Lucia semplicemente perché erano nelle vicinanze celesti; la coppia non era proprio sulla strada di Lucy. Ma Sutter ha verificato se il sistema solare sarebbe stato allineato in futuro in modo tale che la traiettoria di Lucy potesse portarlo abbastanza vicino alla coppia da osservarli.

É successo, Lucy e la coppia Patroclo-Menoetius si sono incrociate nel 2033. "È stata solo fortuna, " ha detto Levisone.

Questa scoperta ha ispirato Sutter a cercare altri obiettivi lungo il percorso di Lucy durante il periodo della missione. Ha nutrito 750, 000 orbite di asteroidi conosciute in un foglio di calcolo, più la traiettoria di Lucy in quel momento, e ha trascorso mesi a eseguire calcoli che hanno trovato una manciata di asteroidi aggiuntivi, quelli con diverse composizioni chimiche che erano obiettivi scientifici perfetti per la missione.

"Ho continuato ad aggiungere incontri nella mia simulazione fino a quando non abbiamo esaurito il carburante sulla navicella spaziale, ed è lì che abbiamo concluso la traiettoria di Lucy, " ha detto Sutter. "Tuttavia, Sapevo anche che ci sono più obiettivi lungo la strada, e potremmo raggiungerli se avessimo un po' più di carburante."

Come ha sempre fatto, Sutter ha utilizzato Excel come uno dei suoi strumenti di traiettoria, un programma che la maggior parte delle persone associa alla contabilità, per progettare il percorso di Lucy nello spazio. "Posso fare tutti i tipi di cose magiche in esso, " disse Sutter. Ci vorrebbe Englander, che lavorava alla NASA Goddard, per ottimizzare la traiettoria e portare il veicolo spaziale a otto bersagli con un diametro compreso tra circa 2 miglia (3 chilometri) e 70 miglia (113 chilometri).

Ora un progettista di missioni presso il Laboratorio di Fisica Applicata Johns Hopkins a Laurel, Maryland, Englander non era coinvolto con Lucy nel momento in cui ne ha letto su un popolare sito di notizie. Stava costruendo un potente software chiamato Evolutionary Mission Trajectory Generator, o EMTG, ora disponibile come software open source per chiunque voglia usarlo. EMTG potrebbe scorrere milioni di scenari di traiettoria in ore anziché in mesi. "Ho avuto la sensazione che sarebbe stato vantaggioso per Brian e il team se avessi dato loro una versione della traiettoria resa in EMTG, quindi ho decodificato la missione in base all'articolo, " disse Englander.

Il percorso Il software di Englander ha identificato un ridotto consumo di carburante e le dimensioni del veicolo di lancio di Lucy. Di conseguenza, ha salvato i soldi della missione mentre lo portava oltre altri asteroidi, assicurando a Englander una posizione nella squadra, e impostare Lucy per essere selezionata dalla NASA nel 2017.

Ora, Lucy verrà lanciata dalla Terra a bordo di un razzo Atlas V 401 durante una finestra che si aprirà il 16 ottobre, 2021. Per prima cosa volerà sulla Terra due volte per usare la gravità di questo pianeta per scagliarsi contro i Troiani. Nel 2025, Lucy volerà oltre Donaldjohanson, che orbita nella fascia degli asteroidi tra Marte e Giove. Il team utilizzerà questo passaggio ravvicinato per testare gli strumenti del veicolo spaziale.

Entro agosto 2027, Lucy raggiungerà il suo primo sciame di Troiani che precedono Giove in un luogo gravitazionalmente stabile noto come punto di Lagrange, specificamente noto come L4. Là, il veicolo spaziale si intersecherà prima con Eurybates (pronunciato "yoo-RIB-a-teez" o "you-ri-BAY-teez") e il suo satellite Queta ("KEH-tah").

Entro settembre 2027, Lucy volerà da Polymele ("pah-li-MEH-lee" o "pah-LIM-ah-lee"), e poi nell'aprile 2028 da Leucus ("LYOO-kus" o "LOO-kus"), e Orus ("O-rus") nel novembre 2028.

Lucy tornerà quindi oltre la Terra per una terza assistenza gravitazionale, che lo catapulterà verso lo sciame dall'altra parte di Giove, situato nel punto L5 Lagrange, dove incontrerà Patroclo ("pa-TROH-klus") e Menoetius ("meno-EE-shus" o "meh-NEE-shus") nel 2033.

La scienza

I Troiani sono ammassi di granelli di roccia e ghiacci esotici che non si sono uniti nei pianeti quando si è formato il sistema solare. Sono tra le prove meglio conservate che abbiamo lasciato di quel periodo e sono quindi la chiave per spiegare come il sistema solare ha avuto l'aspetto che ha.

"Quando guardiamo indietro al sistema solare e al nostro posto qui sulla Terra, la gente spesso chiede, "Qual è la nostra storia? Come siamo arrivati ​​qui?", ha detto Cathy Olkin, Il vice investigatore principale di Lucy che ha sede al Southwest Research Institute. "Lucy cercherà di aiutare a rispondere ad alcune di queste domande."

Ci sono una manciata di teorie che spiegano come i pianeti, lune, e altri oggetti si sono formati e sono finiti nelle loro posizioni attuali. Levisone, ad esempio, è coautore del modello Nice, prende il nome dalla città in Francia dove è stato sviluppato nel 2004. Questa simulazione al computer del primo sistema solare suggerisce che il gigante, i pianeti gassosi sono nati in una configurazione compatta attorno al sole. Infine, le interazioni gravitazionali con il disco di piccoli corpi e tra loro hanno causato la diffusione dei pianeti in crescita. Nettuno, Urano, e Saturno si distese più lontano dal sole, mentre Giove si avvicinava leggermente.

"In questa teoria, questo rimescolamento ha causato un'interruzione caotica, " disse Olkin, uno scienziato planetario, "disperdere molti corpi fuori dal sistema solare e attirarne alcuni e intrappolarli attorno ai punti di Lagrange. Questa è una possibile spiegazione per come sono nati i Troiani di Giove".

Il confronto della composizione dei Troiani di Giove aiuterà gli scienziati a svelare la loro storia. Dai telescopi terrestri e spaziali, I trojan hanno un aspetto compositivo diverso l'uno dall'altro. È perché ognuno proveniva da una parte diversa del sistema solare ed era quindi fatto di materiale diverso? O sono fatti della stessa stoffa i Troiani, con differenze visibili solo sulla loro superficie, che possono essere stati alterati da diversi gradi di riscaldamento, radiazione, e le collisioni che gli asteroidi hanno subito mentre si dirigevano verso le loro attuali posizioni di Lagrange.

Gli scienziati cercheranno di rispondere a queste e ad altre domande con Lucy utilizzando strumenti come L'Ralph, che si basa su uno simile condotto da Olkin sulla navicella spaziale New Horizons della NASA. L'Ralph sonderà la composizione chimica degli angoli e delle fessure delle superfici degli asteroidi da circa 620 miglia, o 1, 000 chilometri, via in media. letti di crateri profondi, o pareti di crateri, può offrire l'accesso agli interni di questi asteroidi, che sono fatti di materiali più giovani (milioni di anni contro miliardi di anni per la superficie esterna più antica). Tali superfici "fresche" presumibilmente non sarebbero state esposte a così tante radiazioni e impatti di micrometeoriti, e quindi potrebbe preservare parte della composizione originale dell'asteroide.

Usando la fotocamera in bianco e nero L'LORRI di Lucy, gli scienziati conteranno il numero di crateri sulle superfici degli asteroidi, che offrirà indizi sugli ambienti a cui gli asteroidi sono stati esposti miliardi di anni fa. Molti grandi crateri indicherebbero che l'asteroide si è formato nella regione turbolenta e più calda più vicina al sole; mentre un minor numero di crateri implicherebbe che il Trojan si sia formato nella regione più esterna relativamente calma e fredda del sistema solare in erba. Scoprire dove si sono formati questi asteroidi nel disco di gas e polvere che ha generato il sistema solare, più altre forme di prova, aiuterà gli scienziati a testare le loro teorie sulla formazione planetaria.

"Questa sarebbe la storia che mi piacerebbe vedere svolgersi nel prossimo decennio o giù di lì, " ha detto Levisone.

Una lunga missione

Sebbene la maggior parte delle missioni della NASA duri diversi anni, gli ingegneri costruiscono veicoli spaziali e strumenti così durevoli da poter operare ben oltre i loro incarichi primari, e, infatti, molti lo fanno. La missione New Horizons su Plutone, ad esempio, è stato progettato per durare 10,5 anni, compreso un viaggio di nove anni e mezzo verso il pianeta nano. Ma la missione è stata estesa, e la navicella rimane attiva fino ad oggi, 15 anni dopo il lancio nel 2006.

La missione principale di Lucy di 12 anni è ancora la più lunga della NASA. Per sostenere una ricerca così ambiziosa, il team ha dovuto pianificare non solo la longevità del veicolo spaziale, che è stato in parte modellato su New Horizons, ma anche della sua gente. Dal concepire la missione, a presentare proposte alla NASA, per essere selezionati e costruire la navicella spaziale, alcuni membri del team hanno già lavorato su Lucy per più di un decennio e la navicella spaziale non è ancora stata lanciata! Alcuni trascorreranno gran parte della loro vita adulta lavorando in questa missione. E se Lucy continua in una missione estesa, potrebbe volare per molti decenni.

"Potrebbe benissimo essere che quando Lucy avrà finito, o senza benzina, che mio figlio appena nato avrà l'età che ho io adesso, " disse Englander, chi ha 37 anni, "e questo è davvero fantastico!"

Ma la gente cambia lavoro e va in pensione, quindi data la vita di Lucy, il team voleva evitare gravi interruzioni durante questi inevitabili cambiamenti. Fare così, il team ha incorporato un piano di successione nel progetto di Lucy:i responsabili della missione che tendono ad essere più avanti nella loro carriera hanno vice più giovani che possono subentrare se necessario. "Abbiamo tenuto d'occhio il problema della longevità fin dall'inizio, " disse Levison, che avrà 75 anni quando la missione primaria terminerà nel 2033.

Patroclo e Menezio, continua....

Situato nello sciame di asteroidi troiani che segue Giove nella sua orbita, la coppia binaria Patroclo e Menezio, circa uguale in massa, ruotano intorno al centro di massa tra di loro - "come un manubrio senza sbarra, " ha osservato Sutter. Ci sono buone prove che le prime cose considerevoli che si sono formate nel sistema solare sono stati questi tipi di binari.

Oggi, la maggior parte di questi binari sono confinati nella fascia di Kuiper, una regione a forma di ciambella delle comete più antiche e meno alterate e di altri oggetti fatti di ghiaccio, musica rock, e polvere. Questa cintura si estende dall'orbita del pianeta più esterno Nettuno fino al di là dell'orbita di Plutone.

Le prove attuali indicano che Patroclo e Menezio probabilmente si formarono nel sistema solare esterno, nello stesso posto di molti oggetti della fascia di Kuiper:sperano di imparare con certezza quando Lucy si avvicinerà a loro nel 2033. Se è così, questa coppia di Troia potrebbe essere la migliore speranza degli scienziati di raggiungere più oggetti simili alla cintura di Kuiper (New Horizons ha visitato l'oggetto della cintura di Kuiper Arrokoth nel 2019).

Scienziati come Levison teorizzano che quando i pianeti giganti hanno iniziato a spostare le loro orbite da 4 a 4,5 miliardi di anni fa, hanno sparso tutto intorno a loro. Patroclo e Menezio erano sparsi verso l'interno verso Giove, mentre molti altri oggetti sono stati catturati nella fascia di Kuiper, e alcuni sono stati lanciati fuori dal sistema solare. "Così, stiamo cercando indizi se sia corretto o meno, " ha detto Keith Noll, Lucy scienziato del progetto che ha sede presso la NASA Goddard.

Quando Lucy raggiunge la coppia Patroclo, gli scienziati esamineranno la loro composizione e il numero di crateri sulle loro superfici. "Saranno lisci o battuti?" disse Noll. "E sono picchiati un po' o molto?" Trovare le risposte a queste domande darà agli scienziati informazioni sull'età relativa degli asteroidi troiani e sulle condizioni del primo sistema solare.