Il LAser Ranged Satellites Experiment (LARASE) ha lo scopo di eseguire una serie di misure di effetti relativistici usando specifici satelliti in orbita intorno alla Terra per verificare le predizioni della Relatività Generale e di teorie alternative proposte per la descrizione dell'interazione gravitazionale. Queste misure sono effettuate in condizioni di campo debole e moto lento (rispetto alla velocità della luce) per mezzo di satelliti sferici passivi tracciati con estrema precisione tramite Satellite Laser Ranging (SLR) dalla rete globale di stazioni dell'International Laser Ranging Service (ILRS).
I tre satelliti utilizzati dall'esperimento LARASE sono stati selezionati in base all'ottima qualità della determinazione orbitale possibile, per la piccolezza delle perturbazioni orbitali non gravitazionali e per l'accuratezza del modello dinamico. Essi sono i due "gemelli" LAser GEOdynamics Satellites (LAGEOS e LAGEOS II), lanciati, rispettivamente, nel 1976 e nel 1992, e LARES (LAser RElativity Satellite). LARES è stato lanciato da Kourou, nella Guiana Francese, il 13 febbraio 2012, con il volo inaugurale del lanciatore VEGA. Con un raggio di 18,2 cm e una massa di 386,8 kg, questa sfera completamente passiva, fatta di una lega di tungsteno e ricoperta uniformemente da 92 retro-riflettori laser, è l'oggetto più denso in orbita nel Sistema Solare, con un rapporto area-su-massa di 2,7 × 10E-4 metri quadrati al kg. Collocato su un'orbita quasi circolare a un'altezza geodetica media di circa 1454 km, e con un'inclinazione di 69,5 gradi rispetto all'equatore terrestre, LARES è stato concepito per misurare l'effetto Lense-Thirring, indotto dalla massa rotante della Terra e previsto dalla Relatività Generale, con un'accuratezza dell'ordine dell'1%.
Gli obiettivi scientifici della missione sono quindi molto ambiziosi e il loro raggiungimento sarà facilitato se sarà possibile migliorare i modelli dinamici di LARES e dei LAGEOS, particolarmente per quanto riguarda i sottili effetti delle perturbazioni non gravitazionali, molto piccole ma non trascurabili per i livelli di accuratezza che si vuole raggiungere. Tra questi effetti, nel caso di LARES merita particolare attenzione il "drag" dovuto all'atmosfera neutra. Infatti, il rapporto area-su-massa estremamente ridotto per questo satellite è stato realizzato proprio per ridurre il più possibile gli effetti delle perturbazioni non gravitazionali. Ma a causa della sua altezza, molto inferiore a quella dei due LAGEOS, pari a circa 5800-5900 km, LARES si trova esposto a un "drag" molto maggiore dovuto all'atmosfera neutra.
Utilizzando le misure ottenute dalla rete di stazioni laser nei primi 3,7 anni di missione, l'orbita di LARES è stata ricostruita con estrema precisione con il programma GEODYN II della NASA. Ciò ha permesso di evidenziare una diminuzione progressiva del semiasse-maggiore, cioè delle dimensioni medie dell'orbita, di circa 1 metro all'anno, corrispondente alla presenza di una forza non conservativa, in direzione opposta a quella del moto del satellite, in grado di indurre una decelerazione media di 1,4 × 10E-11 metri al secondo quadro.
Tramite una versione modificata del programma di analisi orbitale SATRAP, sviluppato all'ISTI/CNR, la perturbazione dovuta all'interazione dell'atmosfera neutra con la superficie di LARES è stata calcolata nello stesso lasso di tempo, tenendo conto dell'evoluzione dell'attività solare e geomagnetica, usando cinque diversi modelli di densità termosferica: JR-71, MSIS-86, MSISE-90, NRLMSISE-00 e GOST-2004. Tutti hanno fornito risultati consistenti, inclusi abbondantemente nei loro rispettivi intervalli di incertezza. Inoltre, dove è stato possibile selezionare gli stessi modelli (JR-71 e MSIS-86) anche in GEODYN II, i coefficienti medi di drag stimati con SATRAP e con GEODYN sono risultati in accordo entro l'1% o meno.
Quindi, a differenza di quanto trovato storicamente per i due LAGEOS, quattro volte più alti, dove il "drag" dovuto all'effetto Yarkovsky e alle particelle elettricamente cariche domina il decadimento orbitale misurato, nel caso di LARES si è invece trovato che il drag dovuto all'atmosfera neutra è in grado da solo di spiegare quasi tutta la diminuzione osservata del semiasse maggiore (circa il 98,6%). Ciò che resta, corrispondente a una decelerazione media del moto di appena 2 × 10E-13 metri al secondo quadro (cioè circa 1/70 di quella dovuta all'atmosfera neutra), è probabilmente imputabile a effetti termici. Il suo valore è risultato tuttavia più piccolo (del 50% o meno) rispetto a quello riportato nella letteratura da altri autori, e ulteriori e più approfondite analisi, inclusa l'individuazione dell'intensità e della distribuzione in frequenza dei termini periodici, saranno indispensabili per caratterizzare con il necessario livello di affidabilità questa perturbazione non gravitazionale ancora più piccola.
Autori: Carmen Pardini, Luciano Anselmo, David Lucchesi, Roberto Peron
Punto di contatto: Carmen Pardini (carmen.pardini@isti.cnr.it)
Coordinatore dell'esperimento LARASE: David Lucchesi (david.lucchesi@iaps.inaf.it)
Sito web dell'esperimento LARASE: larase.roma2.infn.it/index.php/larase-description
Ringraziamenti: Il lavoro è stato parzialmente supportato dalla Commissione Scientifica Nazionale II dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Bibliografia: Pardini C., Anselmo L., Lucchesi, D.M., Peron, R., On the Secular Decay of the LARES Semi-major Axis, Acta Astronautica, 140 (2017) 469-477, doi: 10.1016/j.actaastro.2017.09.012.
Immagini:
