L’astronomia planetaria è un campo di ricerca interdisciplinare complesso. Richiede l’applicazione di metodi e risultati ottenuti da varie discipline, dalla meccanica celeste, alla geofisica, alla metereologia, alla fisica degli impatti. Utilizza a volte strumenti matematici sofisticati, come ad esempio quelli offerti dalla teoria dei sistemi dinamici, oppure strumenti derivati dalle scienze statistiche e dalla tassonomia per elaborare ed interpretare grandi quantità di dati. Le tecniche di simulazione vengono applicate su larga scala in casi e per scopi differenti:
-quando i processi fisici o chimici esaminati sono troppo complessi per essere compresi o previsti a partire dai “principi primi”;
-quando questi processi si verificano su scale spaziali, temporali o energetiche molto lontane da quelle direttamente osservabili o riproducibili;
-quando le osservazioni producono una notevole quantità di dati grezzi di non semplice interpretazione, che però devono essere tradotti in un formato compatibile con la percezione ed analisi da parte degli esseri umani, ad esempio in immagini.
In questo articolo vengono presentati e discussi brevemente tre esempi di lavoro di ricerca basato su tecniche di simulazione, in cui si possono ritrovare in diversi gradi i tre casi sopra citati. Il lettore interessato potrà vedere le immagini ed i filmati corrispondenti e sarà in grado di trovare ulteriori informazioni nei siti Web specificati.
Il computer Teraflops simula l’impatto di una cometa nell’oceano
Prima ancora di essere totalmente operativo, il nuovo supercomputer Teraflops (che esegue tre miliardi di operazioni al secondo) dei Sandia National Laboratories di Albuquerque (New Mexico) sta facendo parlare di sé; in tutto il mondo.
Durante la fase di test del nuovo computer, Gil Weigand, vicesegretario per il Calcolo e la Simulazione a Fini Strategici presso il Dipartimento per l’Energia degli Stati Uniti, ha richiesto che presso i Sandia Laboratories venisse eseguita una simulazione completa di interesse generale per la comunità scientifica. Per questo motivo, e anche per produrre dei dati non classificati allo scopo di verificare le tecniche di visualizzazione più innovative, lo scienziato David Crawford dei Sandia Laboratories ha condotto una simulazione al computer relativa ad un tipo di evento cosmico che può avere importanti conseguenze per gli abitanti della Terra: che cosa succederebbe se un nucleo cometario del diametro di un chilometro colpisse l’oceano?
Un chilometro è all’incirca la dimensione del più grande frammento della cometa Shoemaker-Levy 9, che ha avuto un impatto con Giove nel 1994: un evento che è stato oggetto di simulazioni al computer molto raffinate da parte di Crawford e dal suo collega Mark Boslough. L’elevato grado di corrispondenza trovato fra la nube di materiale che si prevedeva si alzasse dalla superficie di Giove e la vera e propria nuvola osservata dagli astronomi ha dimostrato la notevole accuratezza dei codici di simulazione dei Sandia Laboratories.
Per il nuovo calcolo è stato nuovamente utilizzato il codice di calcolo per i processi d’urto detto “bang and splat” dei Sandia Laboratories, ma questa volta la simulazione è stata eseguita su 1500 processori del nuovo computer Intel Teraflops installato presso i laboratori, che corrispondono soltanto ad un sesto della configurazione finale prevista, costituita da 9.000 processori.
Il calcolo prevedeva una cometa del diametro di circa un chilometro e del peso di circa un miliardo di tonnellate, con una una velocita’ di 60 chilometri al secondo, che avrebbe colpito l’atmosfera terrestre con un angolo di circa 45 gradi. Si tratta di una cometa di dimensioni relativamente ridotte (la grande cometa Hale-Bopp pesa circa dieci trilioni di tonnellate). Il problema era stato suddiviso in 54 milioni di zone spaziali, ed il calcolo è proceduto per 48 ore. I risultati, sebbene impressionanti, confermano in sostanza le precedenti previsioni sull’impatto di una cometa, ma lo fanno con una risoluzione tridimensionale molto più elevata di quanto sia mai stato possibile.
La risoluzione tridimensionale è straordinaria. “Per un astronomo, è come avere un nuovo telescopio molto più potente”, sostiene Boslough. “Dal punto di vista scientifico, si tratta di un grande passo in avanti”. Queste capacità, secondo lo studioso, innalzano le simulazioni al computer al rango di terzo ramo della ricerca scientifica, con pari dignità, e complementare, rispetto alla sperimentazione e alla ricerca teorica.
“E’ davvero una rivoluzione scientifica”, ammette Crawford. ” Questo tipo di supercomputer consentirà ancora molte grandi scoperte”. Tra l’altro, nota ancora Crawford, la simulazione di un impatto cometario non può essere fatta in nessun altro modo. “E’ come riuscire a fare un esperimento che altrimenti non avremmo mai potuto fare. E che non avremmo mai voluto fare”.
Cosa mostrano le nuove simulazioni?
La simulazione comincia con la cometa a 30 chilometri dalla superficie terrestre. Il corpo celeste produce un fronte d’urto molto luminoso mentre si abbassa nell’atmosfera. Dopo sette decimi di secondo colpisce l’oceano con una energia di 300 miliardi di tonnellate di tritolo (TNT) – circa 10 volte il potere esplosivo di tutte le armi nucleari esistenti negli anni ‘60 all’apice della guerra fredda – formando una grande cavità temporanea nell’oceano ed una frattura sul fondo. La cometa stessa è quasi istantaneamente vaporizzata, insieme a una quantità che va dai 300 ai 500 chilometri cubici di oceano. Questa massa di vapore ad alta pressione ed in esplosione si innalza nell’atmosfera. Il vapore della cometa e il vapore acqueo sono espulsi lungo traiettorie balistiche che li disperdono per tutto il globo, mentre una parte di essi riesce anche a raggiungere la velocità di fuga.
Le regioni pianeggianti come la Florida potrebbero quindi essere spazzate dall’onda di maremoto, ma Crawford aggiunge che un tale evento è molto vicino alla soglia oltre la quale gli esperti di impatti si aspettano che possa avvenire una catastrofe globale, con la luce del Sole schermata per un lungo periodo e l’agricoltura distrutta, tra gli altri effetti. “Simulazioni di questo tipo possono aiutare a fissare questa soglia di energia e a rispondere alla domanda: sarebbe una catastrofe locale o globale?”.
Qual è la probabilità che si verifichi un evento di questo tipo? Boslough riferisce che la probabilità stimata è che un asteroide o una cometa con questa energia colpisca la Terra circa una volta ogni 300.000 anni. In altri termini, c’è una probabilità su 3.000 che un evento del genere avvenga in un dato secolo. “E’ un evento con conseguenze disastrose e probabilità bassa,” dice. “Ma se dovesse avvenire, la probabilità di rimanerne vittime sarebbe molto alta.”Immagini a colori e animazioni sono disponibili al sito Web dei Sandia Laboratories
Impatti a ipervelocità tra asteroidi e piccoli oggetti del sistema solare
Ian Giblin e collaboratori all’Università di Pisa, all’Osservatorio Astronomico di Torino e al Planetary Science Institute di Tucson stanno portando avanti un progetto di ricerca a lungo termine per simulare in laboratorio le collisioni che si crede siano avvenute tra gli asteroidi e altri piccoli corpi durante la formazione e l’evoluzione del sistema solare. I risultati degli esperimenti consentono di sviluppare modelli matematici più precisi per l’evoluzione della fascia di asteroidi, e nello stesso tempo permettono un confronto con le recenti osservazioni radar e ottiche (da parte di sonde spaziali) di asteroidi reali, o della loro curva di luce.
La tecnica prevede l’uso di una carica di esplosivo a contatto per simulare l’impatto di un proiettile. Scegliendo opportunamente il diametro della carica esplosiva e la profondità a cui viene immessa nel “bersaglio” è possibile simulare con buona approssimazione un impatto alla velocità di detonazione dell’esplosivo; in questo caso 6,1 km/sec. Questa è una tipica velocità di collisione tra gli asteroidi nella fascia principale.
Diversi programmi sperimentali di questo tipo sono stati realizzati negli ultimi anni. Per esempio sono stati effettuati 4 esperimenti nel 1989 e 8 nel 1992. Tutti hanno usato bersagli sferici dal diametro di 21 cm di “roccia artificiale” (cemento misto ad alluminio, omogeneo tranne che per la presenza, in due casi, di un nucleo piu duro). Il bersaglio è poggiato su un tavolo di acciaio e la distruzione è filmata usando una o due telecamere ad alta velocità oppure un sistema video CCD a otturatore veloce.
La pellicola cinematografica ad alta velocità è sviluppata, digitalizzata e registrata su un CD-ROM prima di essere analizzata con un PC Acorn Risc. I film vengono proiettati usando un software creato appositamente che permette di seguire i singoli frammenti e di studiarli in dettaglio. Correlando le proprietà dei frammenti osservati (dimensione, orientamento in volo, rotazione, ecc.) è possibile identificare alcuni frammenti in entrambe le visuali e quindi ricostruire un campo di velocità tridimensionale. Le immagini e i filmati di questi esperimenti sono accessibili al sito Web http://adams.dm.unipi.it/~giblin/hypervel/.
I risultati ottenuti fino a questo momento sono:
-informazioni sulla distribuzione di massa, sul campo di velocità di espulsione e sulla velocità di rotazione dei frammenti, da confrontare con le informazioni ottenute attraverso le simulazioni al computer e dai dati astronomici sulle famiglie di asteroidi;
-la scoperta che molti frammenti sono in uno stato di rotazione “irregolare”, analogo a quello di alcuni piccoli asteroidi come 4179 Toutatis (vedi più avanti);
-l’osservazione di getti di frammenti con piccole velocità interne, che possono portare a una mutua cattura gravitazionale nel caso degli asteroidi, spiegando così l’origine di asteroidi binari come il sistema Ida-Dactyl osservato dalla sonda “Galileo” nel 1994.
Immagini radar rivelano asteroidi in rotazione irregolare vicino alla Terra
Alcuni scienziati della NASA, studiando con i radiotelescopi l’asteroide 4179 Toutatis durante un incontro con la Terra, hanno scoperto che è uno degli oggetti più strani del sistema solare, con una forma estremamente irregolare e un moto di rotazione straordinariamente complesso.
Si ritiene che sia la forma sia la rotazione siano il prodotto di una storia di violente collisioni. Una descrizione dettagliata dell’asteroide e della rotazione osservata sono riportati su un lavoro recentemente pubblicato sulla rivista Science da Scott Hudson della Washington State University e Steven Ostro del Jet Propulsion Laboratory della NASA, a Pasadena (California).
“La maggior parte degli asteroidi e tutti i pianeti ruotano intorno ad un singolo asse, come un pallone da rugby lanciato in una parabola perfetta” dice Hudson, “ma Toutatis ruzzola come in un tiro sbagliato.” Una conseguenza di questa strana rotazione è che Toutatis non ha un polo Nord fisso come la Terra. Il suo polo Nord si sposta lungo una curva sull’asteroide ogni 5,4 giorni circa. “Le stelle viste da Toutatis non seguirebbero traiettorie apparenti circolari, ma attraverserebbero il cielo non passando mai per due volte lungo lo stesso tragitto” dice Hudson. “Il moto del Sole durante l’anno di Toutatis, che equivale circa a quattro anni della Terra, sarebbe ancora più complesso” continua lo scienziato. “In effetti, su Toutatis non c’è niente che possa assomigliare a quello che noi chiamiamo ‘giorno’. La sua rotazione è il risultato di due diversi moti con periodi che corrispondono a 5,4 e 7,3 giorni terrestri, che si combinano in modo tale che l’orientamento di Toutatis rispetto al sistema solare non si ripete mai.”
Le rotazioni di centinaia di asteroidi sono state studiate con i telescopi ottici. Gli scienziati ritengono che la maggior parte di essi abbia una rotazione semplice con un asse polare fisso e periodi generalmente compresi tra un’ora e un giorno, anche se le violente collisioni che questi oggetti si suppone debbano avere sopportato farebbe pensare che ciascuno di essi, in qualche momento del passato, debba aver “ruzzolato” come Toutatis.
L’effetto degli attriti interni ha fatto sé che in genere gli asteroidi si mettessero a ruotare in modo “regolare” su tempi relativamente brevi. D’altra parte, Toutatis ruota così lentamente che questo processo di smorzamento avrebbe richiesto un periodo di tempo molto maggiore dell’età del sistema solare. Ciò significa che la rotazione di Toutatis è una traccia molto ben preservata dell’evoluzione di un asteroide collegata ad una collisione.
Hudson e Ostro hanno utilizzato dati radar ottenuti con l’antenna della Deep Space Network a Goldstone in California e il radiotelescopio di Arecibo a Portorico nel 1992, quando Toutatis passò a circa 3 milioni di chilometri dalla Terra. I dati radar non sono immagini nel senso convenzionale, perché si basano sul modo in cui il fascio radar viene riflesso dalla superficie dell’asteroide, che produce una configurazione ben definita di tempi di ritardo e di spostamenti di frequenza dovuti all’effetto Doppler. Le imagini vengono ricostruite attraverso un complesso modello computerizzato che simula il modo in cui un corpo ruotante di forma irregolare riflette le radiazioni in arrivo in funzione della sua forma, orientamento e velocità di rotazione.
I modelli computerizzati hanno rivelato che le dimensioni di Toutatis sono di 4,5×2,5×2 km. Diverse caratteristiche della sua superficie, compresi due crateri di1 km di diametro e una serie di creste prominenti – simili a catene montuose – sono presumibilmente l’effetto di una lunga storia di impatti.
Toutatis venne scoperto da astronomi francesi nel 1989 e venne chiamato così in onore di un dio celtico dell’antica Gallia. La sua orbita eccentrica della durata di quattro anni si estende dall’interno dell’orbita terrestre fino alla cintura principale degli asteroidi tra Marte e Giove. Il piano dell’orbita di Toutatis è più prossimo a quello dell’orbita terrestre di quello di qualsiasi altro asteroide conosciuto che attraversi l’orbita terrestre.
Il 29 settembre del 2004 Toutatis passerà vicino alla Terra a una distanza quattro volte maggiore di quella tra la Terra e la Luna, il passaggio più ravvicinato di grossi asteroidi o comete da qui al 2060. Una delle conseguenze dei frequenti passaggi dell’asteroide nelle vicinanze della Terra è che la sua traiettoria non può essere predetta con accuratezza per più di qualche secolo nel futuro. In effetti, di tutti gli asteroidi che incrociano l’orbita terrestre, Toutatis è quello che ha probabilmente l’orbita piu caotica.
Gli asteroidi che incrociano l’orbita della Terra sono estremamente interessanti da punto di vista scientifico per le relazioni con le meteoriti, la fascia principale degli asteroidi e le comete, ma anche come obiettivo di esplorazioni umane o con robot, come riserva di materiali di potenziale valore commerciale nello spazio e come causa di possibili collisioni sul lungo termine. Fino ad oggi sono stati scoperti quasi 300 asteroidi di questo tipo, ma si valuta che nel complesso essi possano ammontare a 1.500 oggetti di diametro superiore a un chilometro, e a 150.000 superiori a 100 metri.
