I bolidi PRISMA dell’estate 2018

Capita che, alzando gli occhi al cielo, sia abbia la possibilità di vedere una brillante “palla di luce” solcare rapidamente la sfera celeste. Questo è quello che succede quando un corpo celeste di almeno diversi cm di diametro (meteoroide), cade nell’atmosfera terrestre con una velocità che può arrivare a diverse decine di km/s. La bolla di plasma ad alta temperatura che circonda il meteoroide, consumandolo lentamente, emette anche radiazione visibile, così che le fasi della caduta possono essere viste anche da centinaia di km di distanza. Gli eventi di questo tipo sono chiamati “bolidi” dagli astronomi, mentre quelli più energetici, provocati da meteoroidi di qualche metro di diametro e visibili anche durante il dì, sono identificati come “superbolidi“.

Le equazioni che descrivono l’interazione fra il meteoroide e l’atmosfera possono essere ottenute dalle leggi generali di conservazione dell’energia e della quantità di moto. Tuttavia, ogni bolide è un caso a sé: ciascun evento è diverso dall’altro e non si sa mai quello che si troverà alla fine della linea di analisi dei dati. Questo rende i bolidi dei fenomeni estremamente affascinanti da studiare. Se a questo si aggiunge la probabilità – diversa da zero – di recuperare al suolo piccole meteoriti, residuo del meteoroide progenitore del bolide, se ne capisce  l’importanza anche per la ricerca scientifica sull’origine e l’evoluzione del Sistema Solare.

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Figura 1 – Lo spettacolare bolide del 30 maggio 2017 (IT20170530), ripreso in questa eccezionale immagine da Giovanni Casini da Fiesole (FI) con Nikon D3500 abbinata ad un obiettivo con focale 18 mm, F/5,6 e sensibilità di 1000 ISO. Questa immagine esemplifica bene quello che si può osservare in cielo quando un meteoroide attraversa l’atmosfera a velocità ipersoniche.

Una continua “pioggia” di bolidi

Il nostro pianeta è costantemente soggetto al “bombardamento” di piccoli meteoroidi, frammenti della ricca popolazione di asteroidi near-Earth in mezzo alla quale si muove la Terra mentre descrive la sua orbita eliocentrica. Dal database compilato in base alle osservazioni condotte dai satelliti militari statunitensi di sorveglianza, risulta che dal 15 aprile 1988 al 5 ottobre 2018 sono state osservate ben 761 esplosioni di bolidi/superbolidi in atmosfera, con energie rilasciate che vanno dagli 0,1 ai 500 kton. Per avere un’idea della scala delle energie in gioco è utile ricordare che la bomba atomica di Hiroshima ha liberato un’energia totale pari a circa 16 kton. Corpi anche di pochi metri di diametro, ma con velocità di decine di km/s, possono liberare un’energia paragonabile a quella di una bomba atomica.

L’evento più energetico degli ultimi anni è quello accaduto a Čeljabinsk in Russia il 15 febbraio 2013, quando un piccolo asteroide di circa 15 m di diametro esplose a circa 30 km di quota rilasciando un’energia pari a circa 500 kton, ossia circa 30 bombe atomiche di Hiroshima. Un evento più modesto ma recente è stato il superbolide del 21 giugno 2018 sulla Russia, di cui è stata recuperata una piccola meteorite. In base ai dati militari, in media si ha un evento associato a un bolide molto luminoso ogni 2 settimane. Dal punto di vista statistico, considerato che si tratta di fenomeni completamente casuali e viste le ridotte dimensioni del nostro paese rispetto alla superficie terrestre, l’Italia ha una probabilità dello 0,06% di assistere a un bolide energetico ogni due settimane, quindi ci si può aspettare un evento nel range 0,1 – 500 kton ogni 60 anni circa.

Tuttavia, se si scende un po’ nella scala delle energie, i piccoli bolidi sono molto più numerosi rispetto agli eventi più energetici, infatti non è difficile vederne alcuni nell’arco della propria vita.  Tanto per avere degli ordini di grandezza, si stima che un bolide di magnitudine assoluta -5 (diametro meteoroide circa 10 cm) si verifichi ogni pochi minuti da qualche parte sulla Terra, un bolide di -9 ha una frequenza settimanale (diametro di alcune decine di cm), un bolide di -13 almeno una volta all’anno.

La all-sky network del Progetto PRISMA

La rete PRISMA (Prima Rete Italiana per la Sorveglianza sistematica di Meteore e Atmosfera) nasce nella seconda metà del 2016 come naturale estensione in Italia della rete francese FRIPON (Fireball Recovery and Interplanetary Observation Network), nata nel 2014. Per questo motivo l’hardware e il software per la detection dei bolidi di una stazione PRISMA sono identici a quelli delle stazioni FRIPON. PRISMA fa capo all’INAF-OATo  e il suo coordinatore nazionale è Daniele Gardiol, dell’Osservatorio Astrofisico di Torino. L’obiettivo principale di PRISMA è il recupero al suolo delle meteoriti, ossia quello che rimane del meteoroide progenitore dopo l’attraversamento dell’atmosfera.

La notevole caratteristica di PRISMA è che si tratta di un progetto di scienza diffusa sul territorio, chiunque può collaborare alla rete (privati, scuole, università, associazioni di astrofili, istituti di ricerca ecc), a patto che abbia le risorse necessarie per l’acquisto dell’hardware: camera all-sky, mini-PC e switch di rete (circa 1700 €). Ovviamente è necessario avere anche una connessione permanente a Internet. Al momento, il numero totale di camere all-sky di PRISMA è 46, mentre quelle attive sono 30: una crescita esponenziale se si pensa che a maggio 2017 le camere erano solo 5!

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Figura 2 – La distribuzione delle camere del Progetto PRISMA com’era nell’ottobre 2018. Il nord Italia appare ben coperto, ora la rete si sta espandendo al centro e al sud del paese (Per gli ultimi aggiornamenti vedi http://www.prisma.inaf.it/).

Per la detection dei bolidi PRISMA usa il software FreeTure (A Free software to capTure meteors), sviluppato dal team di FRIPON. FreeTure gira in automatico sul sistema Linux-Debian installato sul mini-PC che gestisce la camera e si occupa della trasmissione dei dati per mezzo di una VPN. Ogni volta che avviene una detection il mini-PC la comunica a un server. Se ci sono detection multiple dello stesso bolide, ossia fatte da diverse stazioni contemporaneamente, vengono scaricati tutti i dati sul server e viene avviata la pipeline di riduzione dei dati. Le detection dei bolidi restano 2 mesi sull’HDD del mini-PC locale poi sono cancellate per fare spazio ai nuovi dati.

Le fasi dell’analisi di un bolide

L’osservazione di un bolide è un evento complesso e la raccolta di quanti più dati possibile nei pochi secondi di durata del fenomeno è cruciale. Le camere PRISMA sono in grado di riprendere i bolidi a 30 frame/ secondo, in modo tale che possano fornire la posizione del bolide sulla sfera celeste ogni 0,03333… secondi. In questo modo non solo si ottengono le posizioni del bolide in atmosfera, ma anche la sua velocità lungo la traiettoria e la sua luminosità in modo tale che si può ricostruire la dinamica del meteoroide durante la caduta. Dopo avere determinato la posizione astrometrica del bolide sulla sfera celeste, così come è stato visto da ciascuna camera che abbia ripreso l’evento, le fasi successive dell’analisi sono sostanzialmente 4:

  1. Triangolazione: si usano i dati delle diverse stazioni all-sky che hanno osservato il bolide per la ricostruzione della traiettoria media del bolide in atmosfera. Per triangolare sono necessari i dati da almeno 2 stazioni. In questa fase si ottengono posizioni e velocità del bolide rispetto a un sistema di riferimento cartesiano geocentrico.
  2. Modello dinamico del meteoroide: a partire dalle quote e dalle velocità osservate in atmosfera si ottengono i parametri fisici che descrivono il meteoroide durante la caduta, come il coefficiente medio di drag Γ (che condiziona la forza di attrito con l’aria), il coefficiente di ablazione σ (che descrive la perdita di massa del meteoroide), il rapporto massa su sezione M/A, e la velocità V all’infinito posseduta dal meteoroide progenitore prima dell’ingresso in atmosfera. Dal modello dinamico si ottiene anche l’andamento dell’accelerazione in funzione del tempo e l’istante in cui questa assume il valore assoluto massimo.
  3. Dark-flight: a partire dal punto finale osservato della fase di bolide, conoscendo quota, velocità e accelerazione finali, si costruisce un modello matematico della caduta libera per ottenere la zona al suolo dove andare a cercare eventuali meteoriti (strewn field).
  4. Orbita: a partire dal modello dinamico del meteoroide si ottiene la velocità all’infinito fuori atmosfera. Da questa si può ricavare la velocità eliocentrica del meteoroide e, conoscendo la posizione della Terra nello spazio al momento della caduta, si ottiene l’orbita eliocentrica del meteoroide. In questo modo si può avere un’idea dell’origine del corpo.

Ecco una breve rassegna dei bolidi più brillanti dell’estate 2018, osservati dalle camere del Progetto PRISMA dell’INAF. A questo progetto partecipo attivamente come “fireballs hunter” per quanto riguarda la triangolazione dei bolidi in atmosfera e la ricerca delle meteoriti al suolo.

Il bolide del 18 agosto

Questo bolide, osservato alle 18:55:35 UT del 18 agosto 2018, ha seguito una traiettoria a bassa inclinazione sulla superficie terrestre, quindi è stato visto da un buon numero di testimoni occasionali con un discreto eco mediatico. L’evento è stato ripreso sia dalla camera PRISMA di Trieste sia da quella di Capua. Purtroppo, il bolide osservato da queste due camere era basso sull’orizzonte, ossia in una posizione non ottimale per una triangolazione accurata ma più che sufficiente per la ricostruzione del fenomeno.

Dai calcoli risulta che il bolide si è mosso con una inclinazione media di circa 30° rispetto al suolo arrivando da una direzione avente un azimut di 126° (ossia da sud-est). La durata complessiva è stata di 5 s. Il bolide si è reso visibile a 83 km di quota (sopra l’Adriatico, a est di Fermo) e ha terminato la corsa nell’entroterra di Senigallia, a circa 34 km di quota. In totale sono stati percorsi 540 km in atmosfera. Il meteoroide ha subito una frammentazione finale, indicata dalle oscillazioni della velocità osservata. Probabilmente non è arrivato niente al suolo perché la velocità finale del modello dinamico del meteoroide indica un valore di 15 km/s, ossia troppo alto per iniziare la fase di dark flight (che inizia al di sotto dei 3 km/s circa).

La velocità all’infinito del meteoroide progenitore era di 21 ± 1,5 km/s, con una velocità geocentrica di circa 17,5 km/s. Se si tiene conto della posizione della Terra al momento del bolide, si trova che il meteoroide progenitore descriveva un’orbita a bassa inclinazione sull’Eclittica ma ad elevata eccentricità (0,7 ± 0,1). Il valore dell’invariante di Tisserand risulta di 2,9 ± 0,1 un valore al limite fra asteroide e cometa appartenete alla Famiglia di Giove.

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Figura 3 – La traiettoria in atmosfera (traccia rossa), seguita dal bolide del 18 agosto 2018. La traccia di colore giallo chiaro è la traiettoria atmosferica proiettata al suolo (A. Carbognani).

Il bolide del 22 agosto

Questo evento, a differenza del precedente, non ha avuto praticamente eco sui mass media o sui social network ma si è rivelato una caso davvero molto interessante. Il bolide, osservato alle 21:37:30 UT, è stato ripreso dalle camere PRISMA di Alessandria, Piacenza e Ponte in Valtellina a partire da 71 km di quota fino a circa 23 km. L’inclinazione media della traiettoria era abbastanza elevata (ben 72°) mentre l’azimut si colloca attorno ai 200°, ossia il bolide è arrivato da sud-ovest ed è andato verso nord-est. L’alta inclinazione della traiettoria del bolide ha fatto sì che pochi fossero i testimoni occasionali. Questo bolide è stato osservato ad occhio nudo anche dal sottoscritto dalla provincia di Parma mentre si stagliava sull’asterismo del Grande Carro.

Analizzando i dati la velocità all’infinito del meteoroide risulta di 18,2 ± 1,5 km/s, tutto sommato abbastanza bassa, per questo è molto probabile che sia sopravvissuto qualcosa del meteoroide originario. In effetti, il modello dinamico del meteoroide fornisce un diametro iniziale di 14 cm e uno finale di circa 7 cm. Il coefficiente di ablazione è compatibile con quello di una condrite. L’orbita eliocentrica del meteoroide progenitore è simile a quella di un tipico asteroide Apollo (l’invariante di Tisserand risulta 3,7 ± 0,1), con un semiasse di 2,1 UA e un’eccentricità di 0,53 ma inclinata di ben 17° sull’Eclittica!

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Figura 4 – La traiettoria in atmosfera (traccia rossa), seguita dal bolide del 22 agosto 2018. La traccia di colore giallo chiaro è la traiettoria atmosferica proiettata al suolo. Notare l’inclinazione di ben 72° (A. Carbognani).
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Figura 5 – Lo strewn field del bolide del 22 agosto 2018 ha una lunghezza di 1,2 km e una larghezza di 0,4 km. Il segnaposto verde mostra la posizione della meteorite senza tenere conto dei venti e della reale struttura dell’atmosfera (A. Carbognani).

Nel punto finale del bolide il meteoroide residuo aveva una velocità di soli 5 km/s e una accelerazione di -5 km/s². Se si abbinano questi valori alla quota finale di circa 23 km citata prima, si hanno i dati per ricostruire la fase di volo buio (dark flight), ossia la traiettoria di caduta percorsa dal meteoroide residuo negli ultimi 20 km prima di toccare il suolo. Naturalmente bisogna tenere conto dello stato dell’atmosfera ossia di temperatura, densità e, in particolare, del vento (sia in direzione sia in velocità), al variare della quota. Usando la tecnica del calcolo Monte Carlo, il risultato è l’individuazione al suolo di tutti i possibili punti di caduta compatibili con i valori iniziali e le incertezze associate, ossia lo strewn field (vedi Fig. 5). Nel caso del bolide del 22 agosto lo strewn field è allungato nella direzione di moto del bolide, ha dimensioni di 1,2 × 0,4 km e cade in prossimità del paesino di Albaredo per San Marco, che si trova a pochi km di distanza da Morbegno, in Valtellina.

Una prima spedizione sul posto, organizzata da PRISMA all’inizio di ottobre 2018, non ha recuperato la piccola meteorite associata alla caduta: purtroppo il territorio si è rivelato molto impervio, con pendenze elevate e boschi molto fitti che hanno ostacolato non poco le ricerche (Fig. 6). Un’altra spedizione, organizzata dall’Associazione Astrofili Valtellinesi nella seconda metà di ottobre 2018, non ha ugualmente portato a risultati. Purtroppo, il territorio del nostro Paese è prevalentemente montuoso e la ricerca di piccole meteoriti non è facile, anche conoscendo la zona di caduta.

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Figura 6 – Un’immagine che mostra l’impervia zona di ricerca della possibile meteorite associata al bolide del 22 agosto 2018 (A. Carbognani).

Il bolide dell’8 settembre

Questo bolide è stato osservato alle 02:58 UT dalle stazioni PRISMA di Rovigo, Ponte in Valtellina e Piacenza, mentre seguiva una traiettoria a bassissima inclinazione rispetto al suolo, solo 7°. Per questo motivo il bolide è durato ben 23,5 s, un valore davvero record. La traiettoria del bolide aveva un azimut di 319° (ossia è arrivato da nord-ovest e si è spostato verso sud-est), si è reso visibile a circa 80 km di quota (sopra l’Austria occidentale) e ha terminato la corsa sull’Adriatico a 44 km di altezza. In totale ha percorso 425 km in atmosfera. Durante il tragitto il meteoroide ha subito delle frammentazioni multiple, in effetti ci sono delle forti oscillazioni della velocità a 4,5, 13, 16,5, 20 e 23 s dal tempo zero iniziale.

La velocità all’infinito del corpo progenitore era di 17,5 ± 2 km/s, con una velocità geocentrica di circa 14 ± 2 km/s, quindi era un meteoroide e non un detrito spaziale. Se fosse stato un detrito spaziale avrebbe avuto una velocità geocentrica di circa 8 km/s. L’orbita è un po’ incerta ma l’invariante di Tisserand rispetto a Giove del meteoroide progenitore vale 2,3 ± 0,2 ossia un valore tipicamente cometario. Questo spiegherebbe le frammentazioni multiple come dovute alla intrinseca fragilità del meteoroide.

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Figura 7 – La traiettoria in atmosfera (traccia rossa), seguita dal bolide quasi radente dell’8 settembre 2018. La traccia di colore giallo chiaro è la traiettoria atmosferica proiettata al suolo (A. Carbognani).

Conclusioni

In questa breve carrellata abbiamo visto alcuni fra i bolidi più luminosi dell’estate 2018 osservati in Italia, ripresi dalle stazioni della rete PRISMA. Il materiale di questo articolo è stato tratto dal talk che ho presentato al 2° PRISMA Day che si è tenuto al CNR di Bologna il 16 ottobre 2018. Tutte le presentazioni, in formato pdf, di questo convegno sono liberamente scaricabili dal link precedente.

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