Marte uno dei pianeti più vicini alla Terra, quindi calcolare la distanza Terra-Marte è da sempre un obiettivo per gli astronomi del nostro pianeta; nel diciassettesimo secolo per dar sfoggio delle neonate competenze nell’ambito dell’osservazione spaziale, poi per caratterizzare al meglio il Sistema Solare, ultimamente per calcolare il tempo di viaggio delle missioni spaziali che hanno come destinazione il pianeta rosso.
IN BREVE
Nel 1609 Galileo Galilei sfruttò per la prima volta un telescopio per osservare più da vicino e con maggior dettaglio i corpi celesti. Da allora la nostra conoscenza della volta celeste si è ampliata a dismisura. Gli scienziati del diciassettesimo secolo osservarono per la prima volta corpi celesti fino ad allora sconosciuti e fornirono dettagli sempre maggiori su quelli già conosciuti. Il passo immediatamente successivo alla scoperta di un corpo celeste era determinarne la distanza dalla Terra.
Numerosi astronomi dell’antica Grecia si cimentarono nel calcolo della distanza tra la Terra e i due corpi celesti più famosi: Sole e Luna; tuttavia i loro calcoli si rivelarono imprecisi a causa dell’insufficienza delle loro tecnologie. Nella seconda metà del diciassettesimo secolo l’astronomo Giovanni Domenico Cassini sfruttò appieno i giganti passi avanti dell’astronomia del suo periodo e corresse i calcoli greci sulla distanza tra Terra e Luna e Sole; egli sfruttò lo stesso metodo degli antichi Greci, chiamato metodo di parallasse, ma grazie alle migliori osservazioni tramite telescopio fornì valori prossimi a quelli reali. Poi Cassini rivolse la sua attenzione al pianeta più vicino alla Terra, e usò lo stesso metodo per calcolare la distanza Terra-Marte.
IL PRIMO CALCOLO DELLA DISTANZA TERRA-MARTE: IL METODO DI PARALLASSE
Il metodo di parallasse veniva sfruttato già dagli antichi Greci per calcolare la distanza tra la Terra e corpi celesti relativamente vicini; tuttavia esso si basa su assunzioni e grandezze fisse non note o approssimate male dagli astronomi ellenici, i cui calcoli si sono rivelati quindi inesatti. Mentre quando Cassini calcolò la distanza Terra-Marte era già in possesso di tutti i dati per poter sfruttare correttamente il metodo di parallasse.
Le fondamenta del metodo
Il metodo si basa sulla terza legge di Keplero, che stabilisce la proporzionalità tra il cubo delle distanze medie dei pianeti dal Sole ed il quadrato dei loro periodi orbitali; quindi se si misura questa costante di proporzionalità e almeno uno dei due valori per ciascun pianeta, l’altro si ricava facilmente. Il periodo orbitale può essere misurato con notevole precisione per tutti i pianeti semplicemente da osservazioni telescopiche, quello della Terra è ovviamente noto ed è di un anno. Dunque basta calcolare la distanza media Terra-Sole per ricavare la costante di proporzionalità richiesta e, noto il periodo di Marte, calcolarne la distanza media dal Sole e quindi dalla Terra. La distanza dal Sole si misura con la tecnica della parallasse equatoriale, che consiste nell’osservare il Sole da due punti della Terra e calcolare la differenza di prospettiva sotto la quale esso si presenta, a causa della distanza dei due osservatori.

Le dimensioni della Terra e la distanza tra due punti del pianeta
Quindi il problema diventa il calcolo della distanza dei due osservatori. Già Eratostene nel terzo secolo avanti Cristo propose un metodo per risolvere questo problema. Esso consiste nel misurare con la triangolazione la distanza di due luoghi della Terra situati sul medesimo meridiano, quindi osservare da essi il transito di una medesima stella e misurare l’altezza sull’orizzonte alla quale avviene. La differenza d’altezza nelle due misure è uguale all’angolo sulla superficie terrestre che le due località sottendono. Noto l’angolo e la lunghezza della corda si ricava il raggio della sfera terrestre. Jean Picard usò questo metodo nel 1669 e calcolò un valore di 40.036 km per la circonferenza terrestre (praticamente uguale al valore oggi noto di 40.075 km equatoriale e 39.941 km polare). Note le dimensioni della Terra, ci si pone in due punti molto distanti e si esegue la misura al contrario: misurando il transito di una stella fissa si risale alla distanza degli osservatori.
La distanza Terra-Marte
Cassini calcolò così la distanza tra Parigi e Cayenne (Guiana Francese). Nel 1672 l’astronomo italiano osservò Marte da Parigi mentre un suo collega, Jean Richer, fece la stessa osservazione da Cayenne; dalle due località di notte era possibile vedere Marte dalla Terra anche a occhio nudo. Essi calcolarono dunque la posizione esatta di Marte visto dalla Terra rispetto alle stelle nello stesso istante; il valore risultò leggermente diverso a causa della differente prospettiva dalla quale osservarono; la differenza angolare tra le due misure era proporzionale alla distanza dei due osservatori ed alla distanza del pianeta da essi. Conoscendo l’orbita di Marte e la sua posizione istantanea nella stessa Cassini e Richer ricavarono la distanza Terra-Marte in quell’istante con un semplice calcolo trigonometrico. Ciò fatto i due astronomi sfruttarono un calcolo inverso per ricavare la distanza dal Sole della Terra e poi di altri pianeti; per l’unità astronomica (distanza Terra-Sole) fornirono una misura di 22.000 raggi terrestri, cioè circa 140 milioni di km (contro i 149,6 milioni di km oggi noti).

CALCOLI PIÙ PRECISI: L’ASTRONOMIA RADAR
il metodo della parallasse fu l’unico usato nel calcolo delle distanze astronomiche fino al 1961, quando venne sostituito da quello della misura del tempo di ritorno dell’eco radar. Esso si basa sull’emissione di microonde da Terra dirette verso il corpo che si vuole studiare; le onde rimbalzano sul corpo e la loro eco viene captata a Terra. In base all’intensità dell’eco si ricava la distanza del corpo dalla Terra, dato che l’intensità del segnale di ritorno di un’eco radar è inversamente proporzionale alla quarta potenza della distanza. Questo metodo è più semplice e preciso del metodo di parallasse; il suo unico limite è la portata, ridotta al solo Sistema Solare, mentre si stima che il metodo di parallasse funzioni nel calcolo di distanze fino a 100 anni luce dalla Terra. Inoltre grazie alle microonde si può calcolare anche la temperatura su Marte e sugli altri pianeti.

La reale distanza Terra-Marte
Com’era già noto agli antichi Greci non si può dare un’assoluta distanza Terra-Marte; essa varia spesso e moltissimo in base alle orbite dei due pianeti. Grazie all’astronomia radar sappiamo che la distanza Terra-Marte minima è di 54,6 milioni di km, ma è una condizione molto rara; nel 2003 i due pianeti arrivarono a distare 56 milioni di km, e si stima che fosse la distanza minima degli ultimi 50000 anni; il 27 luglio 2018 i due pianeti si avvicinarono di nuovo, la loro distanza era di 57,6 milioni di km. La massima distanza Terra-Marte è di 401 milioni di km, quando i due pianeti sono nelle posizioni opposte delle orbite. Grazie ai calcoli tramite radar è stato possibile giungere alla conclusione che la distanza Terra-Marte media è di circa 225 milioni di km.
UN IPOTETICO VIAGGIO SU MARTE
Dal primo flyby di Marte della sonda NASA Mariner 4 nel 1965 oltre 40 orbiter, lander e rover statunitensi, sovietici, europei e indiani hanno sfiorato il pianeta rosso, vi sono atterrati, si sono persi nello spazio nel tentativo di raggiungerlo o hanno dovuto abbandonare l’idea per via di malfunzionamenti a Terra. Comunque su nessuno di essi c’erano esseri umani; è la grande sfida dell’esplorazione spaziale odierna mandare uomini su Marte. Data la grande esperienza accumulata il viaggio di andata non è un problema: la finestra di lancio ottimale dalla Terra a Marte si apre ogni 26 mesi e non dura molto; Se si vuole ottimizzare il tempo quando Marte è vicino alla Terra il viaggio può durare due mesi ma con un costo elevato, mentre spendendo il meno possibile ci si impiegherebbero nove mesi.
Problemi oggi insormontabili
Il primo grande problema sorgerebbe all’arrivo su Marte: non esiste ancora un metodo efficiente per sfruttare l’atmosfera marziana per rallentare fino a raggiungere la superficie a velocità nulla, mentre usare retrorazzi per rallentare comporterebbe un costo in carburante troppo elevato. Il tempo di permanenza su Marte non dipenderebbe solo dagli esperimenti scientifici da fare ma anche dall’apertura della finestra di lancio ottimale per tornare sulla Terra, che avverrebbe circa tre o quattro mesi dopo l’atterraggio. Ovviamente a bordo del lander dovrebbero essere presenti tutte le risorse necessarie alla sopravvivenza dell’equipaggio durante la permanenza sul pianeta rosso. Alla fine della missione Il lander dovrebbe uscire dall’atmosfera marziana usando molto carburante, ricongiungersi all’orbiter, uscire dalla sfera di influenza di Marte e riportarsi in orbita attorno alla Terra per poi rientrare in sicurezza nell’atmosfera terrestre e atterrare con successo sulla superficie del nostro pianeta.
Progetti per portare l’uomo su Marte
Ad oggi il problema maggiore è alla radice: non abbiamo la tecnologia propulsiva per far uscire dall’atmosfera terrestre tutta la massa di equipaggiamenti, viveri e carburante che sarebbero necessari per una missione con esseri umani su Marte, neanche il potentissimo Ariane 6 ce la farebbe. Il visionario e ottimista Elon Musk con la sua SpaceX conta di far fare a un uomo il primo passo su Marte entro 10 anni. La più prudente NASA si propone di portare l’uomo sul pianeta rosso entro 25 anni, con varie missioni di preparazione sulla Luna.
Fonte
- Parallax and distance measurement
Las Cumbres Observatory - Radio and radar astronomy
britannica - How long would a trip to Mars take?
NASA