Alla ricerca di Philae

Mentre Rosetta studia da lontano la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko nella sua continua evoluzione, i team scientifici della missione stanno cercando di individuare la posizione di Philae sul suo nucleo sfruttando un’enorme varietà di dati, tra cui immagini, misure di campo magnetico e con onde radio.

Philae ha toccato il sito di atterraggio Agilkia sulla “testa” della cometa 67P/C-G, alle 16:34 (ora italiana) del 12 novembre 2014, e la conferma è arrivata a Terra tramite Rosetta 28 minuti più tardi. Purtroppo gli arpioni di Philae non si sono aperti correttamente e le viti da ghiaccio si sono rivelate insufficienti a garantire l’aggancio del lander. Il risultato è che Philae ha rimbalzato per circa due ore prima di fermarsi in un sito ora noto come Abydos.

Entrambe le camere a bordo di Rosetta, sia quella di navigazione NAVCAM che quella ad alta risoluzione OSIRIS, hanno identificato con successo il primo punto di rimbalzo, con la camera ROLIS a bordo di Philae che ha offerto immagini ad alta risoluzione del terreno fino a distanze di 9 metri dalla superficie. Il lander è stato poi identificato nelle immagini OSIRIS e NAVCAM durante un rimbalzo, e subito dopo aver lasciato Agilkia. Poco dopo, un’altra immagine di OSIRIS sembra aver catturato Philae sopra il bordo della grande depressione chiamata Hatmehit, posta sulla testa della cometa.

Le misurazioni del campo magnetico ottenute dallo strumento ROMAP di Philae hanno fornito ulteriori dettagli sugli eventi successivi al volo del lander sopra la cometa, tra cui i tempi precisi dei vari momenti di contatto. Inizialmente il lander ha volato con un orientamento stabile, ma sembra che poi alle 17:20 abbia colpito una protuberanza sulla superficie e che dopo questo urto si sia rovesciato. Un terzo rimbalzo si è verificato alle 18:25, seguito da un altro più breve, della durata di pochi minuti, dopo il quale Philae si è fermato finalmente ​​ad Abydos alle 18:32. Nel complesso, Philae dovrebbe aver percorso più di un chilometro dal punto di contatto iniziale.

Le immagini riprese dalle sue camere ROLIS e CIVA, insieme alla telemetria e ai dati inviati dai suoi strumenti nel corso delle quasi 60 ore di operazioni di superficie, hanno permesso di costruire uno scenario del sito di atterraggio finale. Gli scienziati ritengono che questo sito sia una porzione di terreno accidentato e inclinato verso un dirupo, per la maggior parte del tempo all’ombra.

Nei giorni e nelle settimane successive all’atterraggio il team di OSIRIS ha continuato la ricerca di Philae esaminando nel dettagliato ogni nuova immagine della cometa non appena arrivava a Terra. Tuttavia, viste le caratteristiche ostiche del terreno, le dimensioni ridotte del lander e la distanza di Rosetta dalla cometa, questo si è rivelato un compito molto arduo.

Le immagini a maggior risoluzione sono state scattate dopo l’atterraggio di Philae ad una distanza di circa 18 km dalla superficie della cometa, e facevano parte di una ricerca dedicata che si è svolta a metà dicembre. A questa distanza la camera ad angolo stretto di OSIRIS ha una risoluzione di 34 centimetri per pixel. Philae ha una dimensione di circa 1 metro, mentre le sue tre gambe sottili si estendono fino a 1.4 metri dal suo centro.

Considerando le dimensioni, la riflettività, e la posizione di Philae, insieme alla point spread function (letteralmente “funzione di diffuzione del punto”, descrive la risposta di un sistema di imaging ad una sorgente puntiforme), il team di OSIRIS si aspetta che Philae sia non più grande di un paio di pixel nelle immagini. L’analisi dettagliata della testa della cometa 67P/C-G ha mostrato molti candidati per Philae sotto forma di punti luminosi delle dimensioni pochi pixel.

La domanda allora è: quale di questi candidati è il vero Philae (posto che almeno uno lo sia)?

Fortunatamente abbiamo a disposizione altre informazioni per affinare la ricerca. Grazie alle immagini di OSIRIS è possibile risalire alla traiettoria iniziale di Philae quando è partito da Agilkia. Questo risolve in parte il problema, ma solo per quanto riguarda il primo rimbalzo.

Utilizzando i segnali radio scambiati tra Philae e Rosetta dopo il touchdown finale con l’esperimento CONSERT è stato possibile restringere la posizione del lander. Mettendo insieme i dati dei tempi di percorrenza del segnale tra i due veicoli spaziali con la traiettoria di Rosetta e il miglior modello di forma attualmente disponibile per la cometa, il team CONSERT è stato in grado di stabilire la posizione di Philae entro un’ellisse di circa 16 x 160 metri, appena fuori dal bordo della depressione Hatmehit.

L’ellisse rappresenta la stima migliore attualmente disponibile della posizione di Philae, ottenuta sulla base di una serie di simulazioni, ma sono in corso ulteriori studi per quantificare in maniera più rigorosa la probabilità che Philae si trovi all’interno di questa regione. La posizione dell’ellisse dipende anche dal modello di forma adottato per la cometa, e sicome questo modello viene continuamente perfezionato, restano possibile alcune piccole variazioni.

Ciononostante, l’ellisse di CONSERT esclude la maggior parte dei candidati indicati nell’immagine ad alta risoluzione di OSIRIS. Rimane un candidato vicino all’ellisse, oltre ad un certo numero di punti luminosi nelle vicinanze.

«Abbiamo individuato diversi possibili candidati per il lander nelle immagini di OSIRIS, sia all’interno della regione di CONSERT che nelle sue vicinanze», dice Holger Sierks, Principal Investigators di OSIRIS del Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) in Germania.

«Detto questo», aggiunge Sierks «è importante notare che durante la nostra ricerca di dicembre le condizioni di visibilità erano tali che Rosetta si trovava a 90° rispetto alla direzione Sole-cometa in un’orbita alba-tramonto (si chiamano così le orbite vicine al terminatore, ovvero la linea che separa la parte illuminata da quella in ombra). I pannelli solari di Philae potrebbero essere stati ben illuminati, ma nascosti nel terreno accidentato dal punto di osservazione di Rosetta, rendendoli difficili o addirittura impossibili da individuare».

Inoltre, come mostra l’immagine zoomata dell’ellisse di CONSERT, i punti luminosi sono estremamente comuni sulla superficie del nucleo. La sfida dell’identificazione di Philae è resa ancora più difficile dal fatto che molti di questi punti luminosi sono transitori. Ad esempio, le regioni di piccole dimensioni del nucleo possono “luccicare” in condizioni di illuminazione favorevoli, risultando quindi visibili in alcune immagini ma non altre.

Per risolvere questo problema, gli scienziati che lavorano nel team OSIRIS con Philippe Lamy presso il Laboratoire d’Astrophysique de Marseille e l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie in Francia hanno cominciato a cercare set particolari di immagini raccolte da OSIRIS.

Nello specifico hanno cercato le immagini scattate prima e dopo l’atterraggio di Philae in condizioni di illuminazione simili, per ridurre le possibilità di essere ingannati da punti della superficie illuminati in maniera transitoria. In questo modo, se appariva qualcosa di nuovo in seguito all’atterraggio, poteva effettivamente trattarsi Philae.

Scansionando una vasta area che comprende la probabile zona di atterraggio, il team ha identificato un candidato promettente, ben visibile nelle due immagini raccolte il 12 e il 13 dicembre 2014, un mese dopo l’atterraggio. Lo stesso punto non appare in un’immagine catturata il 22 ottobre. Il filmato qui sotto mostra un ingrandimento della regione di interesse sull’immagine scattata il 13 dicembre.

Ulteriori immagini mostrano la regione contenente il candidato osservata il 22 ottobre da una distanza di 8 chilometri dalla superficie della cometa, e poi il 12 e il 13 dicembre a 18 km dalla superficie.

Le immagini di dicembre sono state ricampionate e interpolate per risultare in una scala confrontabile con quella di ottobre: questo comporta una perdita di qualità dell’immagine e una dimensione maggiore in pixel della macchia rispetto ai dati originali.

«Anche se le immagini pre e post atterraggio sono state scattate con diverse risoluzioni spaziali le informazioni topografiche locali corrispondono, fatta eccezione per un punto luminoso presente solo nelle immagini successive all’atterraggio. Proponiamo quindi questo punto come buon candidato per il lander», dice Philippe Lamy, membro del team di OSIRIS presso il Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, che aggiunge: «Questo punto luminoso è visibile su due diverse immagini raccolte nel dicembre 2014, e questo indica chiaramente che si tratta di una reale caratteristica sulla superficie della cometa, non un artefatto dovuto al rivelatore né un granello di polvere prospetticamente in primo piano”.

Ma si tratta davvero di Philae? Purtroppo, non è possibile esserne sicuri.

Da un lato le analisi effettuate al Philae Science Operations e Navigation Center (SONC) al CNES mostrano che questo candidato soddisfa una serie di condizioni, quali ad esempio l’illuminazione e la visibilità radio della regione.

In secondo luogo, il candidato si trova appena fuori dall’ellisse identificata da CONSERT, sebbene, come già accennato, i modelli di forma della cometa e l’analisi continua degli stessi dati CONSERT potrebbero modificare la posizione dell’ellisse.

Inoltre, considerando l’intervallo di tempo intercorso le immagini “prima” e “dopo” (sette settimane), è possibile che questo punto brillante sia dovuto ad un cambiamento fisico avvenuto sul nucleo in quella posizione, forse a causa della fuoriuscita di materiale fresco. La relativa mancanza di illuminazione in questa regione nel momento in cui sono state raccolte le immagini indica che tali cambiamenti della superficie sono improbabili, ma l’ipotesi non può essere completamente esclusa.

In ultima analisi, l’identificazione definitiva di questo o di qualsiasi altro candidato per Philae richiederanno delle immagini ad alta risoluzione, e quindi flyby più stretti. Questo potrebbe non essere possibile nel breve termine, poiché sono stati riscontrati problemi nella navigazione vicino alla cometa, e questo significa che la possibilità di effettuare sorvoli ravvicinati a molto meno di 20 km dalla superficie potrebbe essere sospesa ancora a lungo, fino alle ultime fasi della missione. Quando l’attività della cometa si sarà abbassata, infatti, Rosetta dovrebbe essere in grado di operare nuovamente in prossimità del nucleo in tutta sicurezza.

L’altra possibilità per affinare ulteriormente la posizione di Philae potrebbe verificarsi se il lander ricevesse energia sufficiente a risvegliarsi dal suo letargo e riprendere il suo studio scientifico di 67P/C-G. A quel punto CONSERT potrebbe essere utilizzato per eseguire nuove misure che andrebbero a ridurre significativamente le incertezze sulla posizione del lander.

Al momento Philae è ancora in letargo, ma il team della missione confida che nelle prossime settimane o mesi, mentre la cometa si avvicina al Sole lungo la sua orbita, il lander potrebbe ricevere abbastanza energia per svegliarsi e trasmettere un segnale a Rosetta.

«Le condizioni per risveglio di Philae stanno diventando sempre più favorevoli, più la cometa si avvicina al Sole», dice Stephan Ulamec, Project Manager del Lander. «Il team del Lander Control Center di DLR ha continuato a pianificare le operazioni a lungo termine per Philae e i suoi strumenti, nella speranza che si svegli presto».

Nel frattempo il team continua a cercare, sfruttando tutti i dati disponibili. Patrick Martin, Mission Manager di Rosetta all’ESA, ha dichiarato: «Il lavoro di monitoraggio, come ad esempio l’individuazione di candidati in altre immagini scattate a 20 km o meno dalla superficie, insieme a una migliore ricostruzione della topografia del luogo, può aiutare a restringere ulteriormente la possibile posizione di Philae».

Matt Taylor, Project Scientist di Rosetta all’ESA, aggiunge: «Localizzare accuratamente il lander è un obiettivo di grande valore scientifico, in particolare per l’esperimento congiunto tra lander e orbiter CONSERT che ha come scopo primario ottenere la migliore valutazione possibile della struttura interna del nucleo della cometa. Sapere dove si trova Philae permetterebbe di contestualizzare le misure effettuate dal lander e di raccogliere informazioni preziose per il suo possibile funzionamento futuro. Nel frattempo, Rosetta continua ad osservare la cometa da distanze variabili all’aumentare della sua attività».