Abbiamo incontrato Sander J. Goossens, Planetologo della NASA’s Goddard Space Flight Center di Greenbelt (Maryland, USA). Lui ha studiato il campo gravitazionale di molte lune e pianeti del Sistema Solare. Inoltre, sta partecipando alla missione Juno della NASA, con l’obiettivo di studiare il campo gravitazionale delle lune galileiane.
Recentemente, Groossens è stato selezionato dalla NASA per condurre ricerche sulle lune di Marte, attraverso gli strumenti della missione MMX della JAXA (agenzia spaziale giapponese). La missione Martian Moons Exploration (MMX) della JAXA sarà lanciata nel 2024 con l’obiettivo di visitare le due lune di Marte Phobos e Deimos. Inoltre, un lander atterrerà su Phobos e raccoglierà dei campioni i quali saranno portati sulla Terra nel 2029.
Nella tua carriera hai studiato il campo gravitazionale della Luna e di molti pianeti. Perché è importante studiare il campo gravitazionale? Quali sono state le scoperte più importanti che hai fatto?
Il campo gravitazionale di un corpo celeste può dirci qualcosa sul suo interno. Per la precisione, il modo migliore per capire il suo interno è attraverso la sismologia, ma abbiamo solo dei dati limitati, a parte la Terra che possiamo studiarla meglio. Tuttavia, esistono dei dati sismologici presi sulla Luna dalle missioni Apollo, e ora abbiamo anche dei dati presi su Marte grazie alla missione InSight della NASA. Inoltre, la combinazione di gravità e topografia (la forma di un corpo celeste), insieme alla conoscenza della rotazione di un corpo, possono essere ugualmente utili per estrarre informazioni sull’interno del corpo celeste, come ad esempio se è presente un nucleo o qual è la struttura della crosta. Pertanto, vogliamo conoscere la struttura interna di un corpo celeste, per comprendere meglio la formazione e l’evoluzione dei diversi pianeti del Sistema Solare.
Ho avuto la fortuna di aver lavorato a diverse missioni che hanno raccolto nuovi e importanti set di dati. Per la Luna, ad esempio, sono stato coinvolto nella missione Kaguya della JAXA (agenzia spaziale giapponese), che ha raccolto i primi dati globali per la determinazione del campo gravitazionale. Determinare il campo gravitazionale globale della Luna è difficile, poiché ha sempre lo stesso lato rivolto verso la Terra. Il campo gravitazionale di un corpo può essere determinato utilizzando il radio tracking dalla Terra a una navicella spaziale in orbita attorno a quel corpo; determinando con precisione l’orbita del veicolo spaziale, è possibile dedurre le variazioni locali nel campo gravitazionale. Per quanto riguarda la Luna, perdiamo quel tracking link quando la navicella spaziale orbita attorno al lato nascosto. La sonda giapponese Kaguya è riuscita a raggiungere la copertura globale utilizzando due satelliti, uno dei quali fungeva da ripetitore per mantenere un collegamento quando il satellite principale si trovava oltre il lato opposto della Luna. Successivamente, la missione Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) della NASA ha migliorato di molte volte la nostra conoscenza del campo gravitazionale della Luna, poiché ha impiegato un collegamento radio molto preciso tra due veicoli spaziali in orbita bassa. Quando abbiamo combinato i dati topografici del Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) della NASA, si è scoperto che la crosta della Luna è altamente fratturata e omogenea a causa degli impatti (questa è una delle tante scoperte scientifiche fatte).
Credit: NASA Goddard
Alla NASA, sono stato coinvolto in molte altre missioni. La missione Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging (MESSENGER) è stata la prima a orbitare attorno a Mercurio. Utilizzando i dati di MESSENGER siamo riusciti a fornire delle stime migliori sulle dimensioni del suo nucleo. Inoltre, abbiamo persino trovato delle prove che dimostrerebbero la presenza di un nucleo interno solido. E non solo: utilizzando i tracking data di una sonda di Marte, siamo stati in grado di ricavare una stima della densità della sua crosta, la quale potrebbe essere inferiore a quanto ipotizzato in precedenza.
Studiando il campo gravitazionale possiamo imparare qualcosa in più sul tessuto spazio-temporale? Ad esempio, possiamo sapere come si muove, se è rigido oppure elastico?
Il campo gravitazionale dei pianeti, studiato con i tracking data dei veicoli spaziali per determinare la struttura interna del corpo, è a scale diverse rispetto allo studio della forza di gravità fondamentale. Tuttavia, poiché il radio tracking tra un veicolo spaziale e una tracking station situata sulla Terra (come il Deep Space Network della NASA) è molto preciso, tali dati sono stati utilizzati per testare le teorie della gravità. Inoltre, sono stato coinvolto come coautore in uno di questi studi utilizzando i dati di MESSENGER. Lo studio è stato in grado di confermare con maggiore precisione il principio di equivalenza forte, l’equivalenza tra massa gravitazionale e massa inerziale. Lo studio è stato anche uno dei primi a fornire una misura dell’espansione del Sistema Solare, determinando la perdita di massa del Sole. In più, i risultati ottenuti si avvicinano alle stime teoriche della perdita di massa del Sole, dovuta al vento solare e ai processi che avvengono nella nostra stella.
Sei stato scelto dalla NASA per studiare Phobos e Deimos, attraverso la missione MMX della JAXA. Quale sarà il tuo ruolo? Cosa studierai e cosa ti aspetti di trovare?
Userò i dati radio, la camera e l’altimetro laser della sonda MMX, per determinare il campo gravitazionale e lo stato di rotazione delle lune Phobos e Deimos, e anche per verificare i modelli della loro forma. Naturalmente, la missione MMX ha il proprio team scientifico che condurrà un’analisi simile. Il mio progetto utilizzerà diversi strumenti e strategie e servirà, in parte, come validazione e verifica dei risultati. Tuttavia, conoscere la massa, la forma e lo stato di rotazione di Phobos è molto importante per la fase di atterraggio della missione. Il mio co-investigatore Andrew Liounis (anch’egli del Goddard Space Flight Center della NASA) e io useremo l’esperienza che abbiamo acquisito durante la missione OSIRIS-REx sull’asteroide 101955 Bennu. Abbiamo fatto un’analisi simile lì e siamo stati in grado di fornire stime notevolmente migliorate di forma e massa. In modo particolare, ci siamo concentrati sull’utilizzo di image data differenziali, che possono essere pensati come immagini dello stesso punto di riferimento sulla superficie prese in momenti diversi. La nostra analisi per OSIRIS-REx ha mostrato che tutto ciò può migliorare notevolmente le stime di parametri importanti. Perciò, faremo un’analisi simile per MMX.
Credit: JAXA
Uno degli obiettivi principali della missione MMX è chiarire l’origine delle lune di Marte. Ci sono due teorie principali: si pensa che siano asteroidi catturati o il risultato di un impatto gigantesco. Quindi, MMX raccoglierà dati e un campione da Phobos, per capire la loro origine. Inoltre, la conoscenza del campo gravitazionale aiuterà a stabilire la densità apparente e la composizione. In più, le variazioni spaziali nel campo gravitazionale possono fornire indizi sulla sua struttura, e anche per verificare se vi siano delle disomogeneità di densità.
Ad essere onesti, non so cosa aspettarmi! Infatti, una recente immagine di Deimos, insieme ad alcune interpretazioni di dati spettrali ottenuti dalla sonda Hope degli Emirati Arabi Uniti, indica che Deimos potrebbe essere simile a Marte. Ciò significa che questa luna potrebbe non essere un asteroide catturato. Quindi, i dati che otterrà la missione MMX su Phobos e su Deimos saranno molto importanti, poiché potremmo capire la loro vera origine. Chiaramente, ci aspettiamo di trovare le risposte a molte domande che non hanno ancora una spiegazione, e anche la nascita di nuove domande.
Il campo gravitazionale delle lune e dei pianeti può cambiare nel tempo o rimane sempre lo stesso?
Il campo gravitazionale di un corpo può certamente cambiare nel tempo. Infatti, ci sono diversi motivi per cui potrebbe farlo, uno dei quali è la presenza di un altro corpo relativamente grande nelle vicinanze. In questo caso, un pianeta o una luna subirebbero le forze di marea. Queste ultime provocano la deformazione del corpo (anche se è costituito principalmente da roccia) mentre orbita attorno al corpo disturbante. Chiaramente, tutto questo porta dei cambiamenti nel campo gravitazionale del corpo, i quali variano nel tempo. Tuttavia, studiando questi cambiamenti variabili nel tempo nel campo gravitazionale, attraverso i tracking data dei veicoli spaziali, possiamo imparare qualcosa sull’interno di un corpo. Inoltre, la grandezza di questi cambiamenti nel campo gravitazionale dipendono da quanto sia “deformabile” il corpo, e anche questo ci può dire qualcosa sulla struttura interna. Tutto ciò genera anche calore, e questo riscaldamento mareale potrebbe benissimo fornire l’energia necessaria per mantenere in attività gli oceani sotterranei presenti nel Sistema Solare esterno, come ad esempio su Europa (una luna di Giove) o su Encelado (una luna di Saturno). Infatti, su queste lune potrebbe esserci un oceano sotterraneo.
Credits: The University of Texas Center for Space Research/NASA Jet Propulsion Laboratory/GeoForschungsZentrum
Un altro motivo per cui il campo gravitazionale cambierebbe nel tempo, è se sul pianeta si verificasse una sorta di scambio di massa. Un qualcosa di simile avviene sulla Terra con gli oceani e con il ciclo dell’acqua, oppure con le masse di ghiaccio, che si restringono ai poli e in Groenlandia. Infatti, questi cambiamenti sono stati misurati in modo molto preciso dalla missione Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Quest’ultima ha mostrato dettagliatamente la perdita di massa in Groenlandia, in alcune parti dell’Antartide e anche in altri luoghi. Tutto ciò non sta accadendo solo sulla Terra, ma anche su altri pianeti come Marte. Sul pianeta rosso, ad esempio, c’è un ciclo di CO2 che fa restringere e crescere le calotte polari. Chiaramente, questo può anche essere mappato utilizzando i tracking data dei veicoli spaziali, misurando le variazioni temporali nel campo gravitazionale. Per quanto riguarda Venere, non c’è un ciclo simile a quello della Terra o di Marte, ma possiede un’atmosfera densa che provoca cambiamenti di pressione in superficie, che a loro volta possono cambiare il campo gravitazionale.
Infine, l’esistenza di un nucleo interno leggermente disalineato rispetto al resto del pianeta, può causare delle torsioni che a sua volta modificano il campo gravitazionale, sempre con un segnale periodico. Inoltre, a seconda delle dimensioni del nucleo interno, tali cambiamenti possono essere piccoli o rilevanti.
Cosa ami del tuo lavoro? Cosa ti ha insegnato il Sistema Solare nella vita?
Ci sono molte cose che amo del mio lavoro, ma una delle più importanti è l’opportunità di essere coinvolto in molte missioni diverse, che viaggiano in posti differenti del Sistema Solare. Ho iniziato studiando la Luna e ora ho l’occasione di lavorare con i dati di veicoli spaziali, che visitano altri pianeti e lune, come ad esempio Mercurio, Venere, Marte, le lune di Saturno Titano ed Encelado, le lune di Giove e persino l’asteroide Bennu. Inoltre, posso lavorare con gli esperti mondiali su molti argomenti diversi. In realtà, non so esprimere con precisione ciò che il Sistema Solare mi ha insegnato nella vita. È un posto così meraviglioso e pieno di sorprese. Pertanto, bisogna cercare di mantenere sempre una mente aperta, poiché c’è sempre qualcosa da imparare e anche qualcosa che vanifica le tue aspettative, costringendoti a ripensare ciò che pensavi di sapere.
- Cover image: Sander Goossens (central photo: science.gsfc.nasa.gov); side photo: JAXA YouTube (first image) / The University of Texas Center for Space Research/NASA Jet Propulsion Laboratory/GeoForschungsZentrum (second image)