L’ESPLORAZIONE DEGLI ASTEROIDI E LA MISSIONE DAWN: UN VIAGGIO ALL’ORIGINE DEL SISTEMA SOLARE M. Cristina De Sanctis and VIR Team IASF-Roma INAF

Missioni passate e in corso Dawn - NASA Orbiter of Asteroids Ceres and Vesta (2007) Rosetta - ESA Comet Mission, will fly by asteroids Steins and Lutetia (2004) Hayabusa (Muses-C) - ISAS (Japan) Sample Return Mission to Asteroid 25143 Itokawa (2003) Stardust - NASA Comet Coma Sample Return Mission, flew by asteroid AnneFrank (1999) Deep Space 1 - NASA Flyby Mission to asteroid Braille (1998) Cassini - NASA/ESA Mission to Saturn through the Asteroid Belt (1997) NEAR - NASA Near-Earth Asteroid Rendezvous with 433 Eros Galileo - NASA Mission to Jupiter via asteroids Gaspra and Ida (1991-1993)

Esplorazione spaziale degli asteroidi L’esplorazione spaziale degli asteroidi è iniziata con l’osservazione di Gaspra (1991) e Ida (1993), sorvolati dalla sonda Galileo. Da allora sono stati osservati diversi asteroidi attarverso fly-by: Mathilde (missione NEAR 1997), Braille (Deep Space 1, 1999), Anne Frank (StarDust, 2002) Missioni dedicate allo studio di asteroidi: NEAR e HAYABUSA (ambedue dedicate allo studio di NEO) Fino ad oggi abbiamo avuto fly by di asteroidi main belt e missioni a NEO (NEAR, Hayabusa) DAWN è la prima missione che studierà oggetti di Fascia Principale e di particolare rilevanza per l’origine del sistema solare

La missione Dawn L’obiettivo della missione è quello di conoscere le condizioni e i processi che erano presenti all’origine del sistema solare. Dawn é una missione NASA della classe DISCOVERY e sarà la prima missione a orbitare intorno a due oggetti extraterrestri. DAWN studierà in dettaglio due asteroidi - protopianeti: 1 Cerere e 4 Vesta

DAWN: la prima missione che esplorerà un pianeta nano L’assemblea dell’IAU ha rivisto la definizione di pianeta come un corpo che (a) orbita intorno al Sole, (b)  ha massa sufficiente perchè l’autogravitazione sia maggiore delle forze a stato solido in modo che il corpo assuma una forma di equilibrio idrostatico, e (c) ha svuotato la zona intorno alla sua orbita. Con questa definizione il Sistema Solare è costituito da 8 pianeti. E’ stata introdotta una nuova classe di oggetti: i Pianeti Nani. I primi membri di questa nuova classe di pianeti nani sono: Cerere, Plutone e 2003 UB313 –Eris.

La regione che esplorerà Dawn Gli asteroidi sono i residui di una storia complessa dinamica e collisionale e la maggior parte di loro sono solo frammenti rocciosi di corpi più grandi La formazione di Giove ha fortemente influenzato la fascia asteroidale Pochi asteroidi (i più grandi ?) sono rimasti intatti dalla loro formazione Anche Marte non ha raggiunto la sua possibile massa finale  infatti è molto più piccolo degli altri pianeti terrestri.

Formazione dei pianeti Terresti: un passato cancellato Le fasi successive del processo di formazione debbono spiegare come da un insieme di planetesimi, la cui composizione presumibilmente rispecchiava quella delle condriti carboniose, si passa a corpi di grandi dimensioni fortemente differenziati, come i pianeti terrestri. crescita gerarchica dei planetesimi; crescita finale attraverso impatti non completamente distruttivi ma che coinvolgono corpi di grandi dimensioni.

Perché Vesta e Cerere Vesta è diversa dagli altri asteroidi: è riuscita a crescere abbastanza per differenziarsi come un pianeta terrestre e sembra la sorgente dei meteoriti HED (Howardite, Eucrite, Diogenite) . Cerere invece sembra non differenziata (?). Vesta e Cerere possono essere considerati dei protopianeti in qualche modo complementari.

Obiettivi scientifici di Dawn Lo scopo della missione Dawn è quello di descrivere le condizioni ed i processi relativi ai primordi del sistema solare studiando in dettaglio due dei più grandi protopianeti rimasti intatti sin dalla loro formazione, Cerere e Vesta, due corpi che hanno subito un’evoluzione molto diversa. 17

Cosa sappiamo attualmente di Vesta? Le immagini di Hubble hanno mostrato un mondo diverso con colate di lava e un gigantesco cratere da impatto. Queste sono le prove che Vesta doveva avere un cuore di magma, proprio come la Terra.

La mineralogia di Vesta Lo spettro di Vesta mostra una banda di assorbimento centrata a 0.93 m e una seconda banda a circa 2.0  m (caratteristica di minerali di origine magmatica). La spettroscopia fatta da terra di Vesta sembra indicare che esistono regioni basaltiche. Lo spettro di Vesta è simile a quello delle meteoriti HEDs che provengono da un oggetto differenziato. VIS - NIR Range (m)

Meteoriti di tipo HED Eucriti: basalto acondritico formatosi da un raffredamento rapido del Magma. Diogeniti: Ortopirossene brecciato che contiene tracce di olivina formato da raffredamento lento del magma sotto la superficie. Howarditi: misture brecciate di diogeniti ed Eucriti. Eucriti, Diogeniti e Howarditi hanno simili composizione in isotopi ossigeno e simile FeO/MnO nei loro pirosseni. Unico oggetto progenitore ?

Meteoriti di tipo HED: mineralogia VESTA HED ASTEROIDE PROGENITORE DELLE METEORITI HEDS: VESTA

La famiglia di Vesta Osservazioni spettrali hanno evidenziato oggetti con spettro simile a Vesta. Si è scoperto che questi oggetti sono geneticamnte collegati tra loro: sono frammenti generati da collisioni su un asteroide detto progenitore (famiglia) Gli asteroidi della famiglia di Vesta hanno spettro simile a Vesta ed alle meteoriti di tipo HEDs C’e una relazione genetica: VESTA-Famiglia-HEDs

Cosa sappiamo attualmente di Cerere? Cerere è il più grande asteroide. Contiene la maggior parte della massa dei corpi della fascia principale situati tra Marte e Giove Cerere è un asteroide di tipo G (relazionato ai tipi C che dominano la zona esterna della fascia degli asteroidi). La sua composizione è simile ai meteoriti primitivi carbonacei

Cerere Sulla sua superficie sembrano essere presenti ghiaccio d’acqua e minerali Si notano delle piccole differenze di albedo superficiali Alcune osservazioni suggeriscono la presenza di minerali idrati sulla superficie di Cerere ( banda a 3.3 um). Eventuale presenza di ghiacci di acqua (3.07 um)

Meteoriti da Cerere ? Lo spettro è simile ad alcuni tipi di meteoriti ma nessuno di questi è perfettamente consistente in tutto l’intervallo spettrale. Non abbiamo meteoriti da Cerere ? Qualche processo fisico altera lo spettro di Cerere e non lo rende riconoscibile ?

Cerere è differenziato ? Osservazioni recenti indicano che Cerere ha una forma diversa da quella che ci si aspetta per un oggetto completamente omogeneo, consistente con la presenza di una concentrazione di massa centrale indicativa di una possibile differenziazione. Recenti modelli teorici (McCord and Sotin, 2005) indicano che Cerere deve aver subito una differenziazione a causa del riscaldamento da decadimento radioattivo. Cerere dovrebbe aver avuto un contenuto in acqua piuttosto elevato. A seconda del rapporto di ghiaccio/silicati ( e presenza di sali) assunto nei modelli i risultati indicano storie evolutive diverse con la possibilità di avere un corpo differenziato con crosta, mantello e nucleo.

Vesta e Cerere: un confronto Vesta and Cerere sembrano essere oggetti molto primitivi, rimasti quasi inalterati dalla loro formazione ad oggi. Sono molto diversi tra loro: Vesta è molto roccioso e “secco” Ceres è un enigma; ha 10 volte il volume di Vesta ed è denso solo la metà di Vesta: potrebbe contenere molta acqua. Vesta e Cerere fanno da legame tra i pianeti rocciosi di tipo terrestre e i corpi ghiacciati caratteristici del sistema solare esterno

La Missione Dawn e i suoi strumenti scientifici

Vesta orbit operations Sarah Gavit: 2007 - Launch - September 27, 2008 - Commissioning 2009 - Mars Gravity Assist 2011 - Vesta Arrival 2012 - Vesta Departure 2015 - Ceres Arrival 2015 - End of Mission La Missione Ceres orbit operations Vesta orbit operations Mars gravity assist Oct ‘11 - May ‘12 Aug ‘15 - Jan ‘16 Mar ‘09 At each asteroid, Dawn will: Compile a global color map Compile a topographic map Map the elemental composition Map the mineralogical composition Map the gravity field Search for moons Launch 27 9 2007

Spacecraft Dry mass: 745 kg Wet mass: 1240 kg Solar array power (1 AU): 10.3 kW Solar array power (3 AU): 1.3 kW 19.7 m Delta II 7925H-9.5

DAWN: Propulsione ionica Non è possibile usare un motore tradizionale per raggiungere gli obbiettivi di Dawn DAWN ha un motore a ioni derivato da quello usato nella missione Deep Space 1 ∆v ≈ 11 km/s : Questo è il più elevato ∆v mai ottenuto da un sistema di propulsione di uno S/C Dawn userà i suoi truster per ~ 55.000 ore (> 6 anni)

Il “carico” scientifico di Dawn ray and neutron spectrometer Mapping of elemental abundances VIR mapping spectrometer High resolution mineralogical thermal mapping -ITALY Cameras (2) Imaging science Navigation

Lo spettrometro VIR

VIR Mapping Spectrometer VIR, Visual InfraRed Mapping Spectrometer, è simile a VIRTIS-M in volo sulla mssione Rosetta VIR-MS è uno spettrometro ad immagini in grado di accoppiare alta risoluzione spettrale e spaziale nel Visibile (0.25-1 um) e IR (0.95-5 um) VIR è in grado di soddisfare gli obbiettivi scientifici di Dawn con uno strumento al contempo molto sofisticato, con alte performance e molto affidabile. Principal Investigator: A. Coradini, INAF Contributed to Dawn by ASI and INAF

Obbiettivi primari di VIR Determinazione della composizione mineralogica del materiale nel suo contesto geologico Identificazione dei diversi materiali e della loro distribuzione spaziale. Identificazione dei silicati, dei minerali e materiali idrati con una risoluzione spettrale / > 100 nel range tra 0.25 e 5 um Mappatura, con una risoluzione spaziale di decine di metri, della superfcie degi asteroidi e determinazione della distribuzione spaziale dei vari tipi mineralogici. Determinazione della microstruttura e natura delle particelle superficiali con la misura delle curve spettrofotometriche

VIR e Vesta Conferma del legame tra le meteoriti HEDs e Vesta Prima osservazione di un interno planetario tramite le immagini spettrali dell’enorme e profondo bacino da impatto al polo sud. Studio della natura e della storia del magmatismo su Vesta (magma ocean ?) Determinazione della mineralogia di un protopianeta Determinazione della composizione dei materiali presenti su Vesta.. Pieters et al., 2006

VIR e Ceres Studio della mineralogia di una oggetto primitivo Identificazione dei minerali idrati e non Identificazione di possibili ghiacci di natura diversa Indicazione di una possibile atmosfera transiente Indicazioni sulla eventuale presenza di un oceano sotto la superficie Determinazione della composizione di un pianeta nano Rivkin and Volquards, 2006

Alcuni dati su VIR VIR è uno spettrometro ad immagini molto compatto, composto da 2 moduli: Optical head Box elettronica Channel Spectral Range Spectral Sampling FOV (mrad) IFOV (mrad) SNR Radio. Abs. Radio. Relat. Det. Matrix Dim. Pixel pitch VIR- vis 0.25 – 1.0 2.6 nm 64 x 64 0.25 >100 <20% <1% TH7896 508x1024 19 µm VIR- IR 0.95 – 5.0 14 nm CdHgTe 270x436 38 µm 17

VIR data: Spectral Images The imaged FOV (64 X 64 mrad) is dispersed in the VIS and IR detectors λ IR VIS space Data Cube Ad ogni pixel dell’immagine corrisponde uno spettro tra 0.25 e 5 micron Ad ogni lunghezza d’onda corrisponde un’immagine spaziale 17

Come VIR vede un pezzo di Vesta Experimental set-up during calibration Calibrated source Target (spectralon/millbillillie) Collimator Folding mirror VIR-MS inside the TVC 2 5 4 1 3 Spatial resolution: 1px in the image=0.25 mm X 0.25mm on the target n°pixels in the image=52800 Spectral sampling: 330nm÷1070nm → 1.8nm 1070nm÷2600nm → 9.5nm 220 lines After the bi-directional spectroscopy we turn to the spectral imaging. We made such measurements during the calibration campaign of the imaging spectrometer of the dawn mission in the laboratories of the Galileo Avionica in Florence. In the picture there is the set-up: the calibrated source, the target, the collimator, the folding mirror, and the spctrometer inside the TVC. Here there is the image we get, it is composed by 240*220 pixels, for a total of more than 50000, and 1 pixel is 1 mm on the target. The spectral range is from 330 up to 2600nm with a sampling of 1.8nm in the visual fpa and 9.5nm in the IR fpa 240 samples

VIR spectra

A che punto siamo della missione ?

Lancio Dawn è stata lanciata da Cape Canveral il 27/09/2007.

Dove è la sonda Dawn ?

Cosa ci aspettiamo da DAWN Dawn esaminerà la composizione dei due protopianeti per determinare la loro origine,storia termica ed evolutiva DAWN potrà caratterizzare le condizioni ed i processi delle fasi iniziali del sistema solare, studiando in dettaglio due protopianeti rimasti quasi intatti dal momento della loro formazione. La complementarietà e la diversità di Cerere e Vesta, due protopianeti che, pur condividendo la stessa zona di formazione, hanno subito una storia evolutiva profondamente diversa, potranno essere la chiave di lettura per la comprensione dei processi all’origine del sistema solare