Scienze planetarie

Lo IAPS svolge un ruolo chiave nello scenario nazionale ed internazionale delle Scienze Planetarie con l’obiettivo di rispondere a domande fondamentali come: 

• Perché i pianeti ed i satelliti del Sistema Solare sono così diversi fra di loro?
• Cosa ci possono dire le comete e gli asteroidi sulle origini del Sistema Solare?
• Come si è formato il Sistema Solare e quanto è diverso dagli altri Sistemi Planetari?
• Cosa rende un mondo abitabile e come cambiano le sue condizioni di abitabilità?

Lo studio di ciascun corpo del Sistema Solare (pianeti di tipo terrestre, giganti gassosi e ghiacciati, satelliti, pianeti nani, piccoli corpi come asteroidi, comete, etc.) contribuisce a chiarire questi quesiti. La scienza condotta allo IAPS si sviluppa su macro-tematiche trasversali a più corpi del Sistema Solare: formazione, caratteristiche interne, superfici, atmosfere, esosfere, interazioni con il Sole e lo spazio interplanetario.

Per studiare la formazione dei corpi del Sistema Solare si utilizzano dei modelli di evoluzione del disco protoplanetario e di successivo accrescimento planetario all’interno del disco stesso. L’evoluzione dei protopianeti e dei pianeti viene indagata con modelli di mutua interazione gravitazionale tra gli oggetti planetari tenendo anche conto delle interazioni mareali di questi con il disco protoplanetario. Le interazioni mareali sono responsabili dei processi di migrazione e di riassestamento della parte interna del sistema di pianeti ed hanno giocato un ruolo fondamentale nell’aspetto odierno del nostro Sistema Solare e degli altri sistemi esoplanetari.

Gli interni degli oggetti planetari si possono distinguere in differenziati e indifferenziati: il grado di differenziazione fornisce informazioni in merito alla presenza del nucleo, del mantello e della crosta e delle loro proporzioni. In questo ambito è fondamentale lo studio dei tempi scala di formazione e di raffreddamento del nucleo e della struttura finale, consentendo di ottenere scenari di evoluzione degli strati interni e implicazioni sui processi iniziali che danno origine ai sistemi planetari.

Tramite le osservazioni delle superfici e del sottosuolo dei corpi solidi del Sistema Solare si studiano la morfologia, le proprietà fotometriche, fisiche (composizione e distribuzione delle dimensioni dei grani del regolite), termofisiche (temperatura superficiale, conducibilità termica, inerzia termica), il grado di alterazione di una superficie da parte dell’atmosfera, delle radiazioni o degli impatti (weathering) ed i  processi endogeni (vulcanesimo e tettonica) ed esogeni (craterizzazione da impatto) che sono alla base dell’evoluzione geologica. I nostri studi aiutano a comprendere anche la disponibilità ed accessibilità di risorse (In Situ Resource Utilization, ISRU) che sono fondamentali per la futura esplorazione umana del Sistema Solare.

Lo studio delle atmosfere planetarie permette di ricavare proprietà come temperatura, densità e composizione per indagare la loro struttura verticale, la presenza di polveri e nubi, l’interazione con la superficie e con lo spazio esterno, nonché scambi energetici e fenomeni di turbolenza a diverse scale spaziali e temporali. Le analisi sulle atmosfere permettono anche di indagare gli scenari di evoluzione dell’ambiente planetario nel suo complesso. Per le esosfere planetarie si studiano la natura e la distribuzione delle diverse specie chimiche presenti, e come queste si siano originate dalle interazioni del vento solare con l’alta atmosfera del pianeta, dalla precipitazione delle micrometeoriti, dall’irradiazione dei raggi UV solari e dai cicli termici dovuti all’alternanza giorno/notte. Per i corpi privi di atmosfera sostanziale si studiano i legami della loro esosfera con specifiche caratteristiche della superficie come, ad esempio, particolari variazioni di composizione, morfologia e proprietà termodinamiche.

Inoltre, nei laboratori IAPS dedicati alle scienze planetarie si effettuano misure su materiali terrestri reputati analoghi di quelli osservati nei siti extraterrestri. Tali indagini sono un supporto essenziale per riprodurre e comprendere le condizioni che occorrono nel Sistema Solare. 

Diverse  tecniche e metodologie vengono utilizzate in IAPS in coordinamento con programmi nazionali ed internazionali per analizzare ed interpretare i dati di telerilevamento planetario e di laboratorio. In particolare: 

• Per risalire a processi di formazione dei dischi planetari, evoluzione di getti e interazione polvere/ gas vengono applicati metodi basati su simulazioni Smoothed Particles Hydrodynamic (SPH). 
• La risoluzione numerica delle equazioni differenziali tramite il metodo degli elementi finiti (FEM) viene utilizzata per indagare la differenziazione planetaria, la convezione termica e la distribuzione di temperatura superficiale e sottosuperficiale utili ad inferire l’inerzia termica dei pianeti, satelliti, asteroidi e comete.
• Lo studio delle superfici e delle atmosfere planetarie con osservazioni di telerilevamento in ampi intervalli di lunghezza d’onda si avvale di dettagliati modelli specifici, sia analitici che numerici, per la comprensione dell’interazione della radiazione con i gas e gli aerosol atmosferici e con i diversi tipi di superfici planetarie. Questi approcci consentono di caratterizzare molte proprietà fisiche e composizionali delle superfici e delle atmosfere a partire dal confronto con dati spettrofotometrici.
• Nell’ambito della geologia planetaria, viene svolta l’interpretazione delle superfici solide (rocciose o ghiacciate) da immagini telerilevate. L’obiettivo è quello di ricostruire l’evoluzione e la datazione (assoluta e relativa) dei corpi in esame attraverso lo studio dei processi endogeni ed esogeni e della loro interazione con l’atmosfera o la struttura crostale, applicando anche tecniche di analisi strutturale e modelli geofisici basati sulla gravimetria. In IAPS viene anche utilizzata la cartografia tematica, con cui si sviluppano prodotti cartografici geologici e geoscientifici a supporto dell’interpretazione dei dati. 

Grazie alle competenze sviluppate negli anni nei vari ambiti di indagine e nella progettazione e realizzazione di strumentazione scientifica (e.g., spettrometri puntuali e ad immagine nell’intervallo visibile ed infrarosso, camere multispettrali, radar, sensori per la misura in situ di polveri ed ENA) ricercatori IAPS della linea di ricerca in Scienze Planetarie sono coinvolti nelle più importanti missioni per l’esplorazione spaziale del Sistema Solare.

Missioni concluse:

• Cassini

• Venus Express

• Rosetta 

• Dawn

• Hayabusa 2

Missioni in corso:

• Mars Express

• ExoMars Trace Gas Orbiter

• Juno

• BepiColombo

• JUICE

• Hayabusa 2# SHARP

Missioni future:

• ExoMars Rover Rosalind Franklin

• Prospect

• Comet Interceptor

• Destiny

• CNSA/Tianwen2

• UAESA/MAx

• HERA

Per rispondere ai tanti quesiti delle Scienze Planetarie ma anche a supporto dell’analisi dei dati acquisiti dalla strumentazione presente sulle missioni spaziali planetarie, in IAPS operano i seguenti laboratori:

• DAVIS Laboratory

• Laboratory for Extraterrestrial Materials (LEM)

• Planetology LABoratory (PLAB)

• Laboratorio di Cartografia, Fotogrammetria e GIS  (GISlab) [in inglese: Planetary Mapping laboratory]

• Sample Preparation Facility (SPF)

• Space Materials Laboratory (SM-Lab)

• Spectroscopy LABoratory (SLAB)

• Spectroscopy of Planetary Surfaces Laboratory (C-LAB)