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Fisica

Nobel per la fisica agli scienziati di Ligo, per la scoperta delle onde gravitazionali

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Dopo il Nobel per la medicina a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W Young per le scoperte sui meccanismi molecolari dei ritmi circadiani , è il giorno di quello per la #Fisica . L’ambito premio è stato appena assegnato a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne, tre menti della collaborazione Ligo, per la scoperta delle onde gravitazionali.

Le previsioni stavolta ci hanno preso: sarebbe stato uno shock se nemmeno quest’anno il riconoscimento fosse stato assegnato agli scienziati della collaborazione Ligo (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), l’interferometro che ormai dal settembre 2015 stupisce a ripetizione la comunità scientifica con le sue scoperte: dalla prima individuazione delle onde gravitazionali ai nuovi dati su ciò che accade al confine dei buchi neri, al rilevamento di possibili nuove fonti di onde gravitazionali.

Nel 2016, infatti, il Nobel andò a un insospettabile trio di fisici – David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz – per le loro “scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e le fasi topologiche della materia”, ricerche teoriche sui cosiddetti “stati esotici della materia” che secondo l’Accademia Svedese delle scienze hanno aperto la strada a applicazioni pratiche nella scienza dei materiali e dell’elettronica.

 
  

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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Fisica

Perché è importante la scoperta della prima sorgente dei neutrini cosmici

Scienziati da tutto il mondo hanno individuato una sorgente di neutrini ad altissima energia. Si tratta di una blazar, una galassia ellittica con al centro un buco nero, fra le più luminose dell’universo noto

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Dove nascono i neutrini più energetici, provenienti dallo spazio? Un gruppo di ricerca internazionale è riuscito a rispondere a questa domanda, individuando per la prima volta la sorgente di un neutrino cosmico ad alta energia. Questo genere di neutrino arriva dallo spazio insieme ai raggi cosmici, radiazioni potentissime composte da particelle (soprattutto protoni) e nuclei di atomi. Il team di ricerca, che include gruppi italiani dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), nonché università ed enti di ricerca italiani, ha studiato questi rari neutrini. La prima allerta è giunta dal grande rivelatore Ice Cube in Antartide, che ha avuto un ruolo importante nello studio, individuando il neutrino super-energetico. I dati sono stati combinati con quelli di altri 15 esperimenti in tutto il mondo. I risultati sono pubblicati in due studi su Science.

I neutrini sono particelle molto elusive: non hanno carica, hanno una massa piccolissima e interagiscono debolmente con la materia (non risentono dell’azione dei campi magnetici).

Proprio perché così sfuggenti, miliardi di queste particelle raggiungono indisturbate la Terra e attraversano il nostro corpo in ogni secondo. La maggior parte dei neutrini sono prodotti principalmente dall’interazione tra raggi cosmici e particelle nell’atmosfera terrestre.

Finora gli scienziati hanno individuato e studiato soprattutto quelli a bassa energia all’interno dell’atmosfera terrestre o del sistema solare.

Tuttavia esistono anche neutrini con un’energia significativamente maggiore, che sono molto più rari e che necessariamente non hanno un’origine locale (nell’atmosfera o nel Sistema Solare), ma nello spazio profondo. Questi ultimi vengono cercati da Ice Cube (nato con questo obiettivo): si tratta di una grande macchina, composta da 86 cavi d’acciaio e 5000 sensori di luce, con un insieme di rivelatori che occupano un chilometro cubo nei ghiacci del Polo Sud, a profondità fra 1.450 e 2.450 metri sotto terra.

Grazie a questo grande cacciatore di neutrini, i ricercatori sono riusciti a individuare una possibile sorgente di quelli cosmici ad alta energia. Ma non è stato facile. Il problema dei raggi cosmici, costituiti da particelle cariche come protoni, infatti, è che i loro percorsi non possono essere tracciati fin dal punto di partenza, dato che potenti campi magnetici, che riempiono lo spazio, deformano le loro traiettorie: insomma, è un po’ come se si riuscisse a vedere il letto di un fiume, ma non la sua fonte.

Tuttavia in questo caso i neutrini ci vengono in aiuto. Questi ultimi viaggiano indisturbati, dato che non sono carichi e non vengono deviati dai campi magnetici. Così il loro tragitto segue una linea retta ed è più facile da seguire fin dal punto di partenza. Sfruttando queste proprietà i ricercatori hanno studiato il comportamento di 82 neutrini altamente energetici, che sono molto rari, il tutto dal 2013 ad oggi.

Quando un neutrino altamente energetico interagisce con il nucleo di un atomo vicino al rivelatore Ice Cube, si genera una particella carica secondaria. Questa, a sua volta, produce un cono di luce blu, che viene identificato da Ice Cube attraverso la rete dei rivelatori. La particella carica e la luce sono nella stessa direzione, così è stato possibile per i ricercatori individuare la traiettoria del neutrino e la sua sorgente. Le prime coordinate della sorgente sono state identificate nel settembre scorso (il 22 settembre 2017), ma ci sono voluti alcuni mesi per studiare meglio la sua forma.

Si tratta di un blazar, denominato dagli autori TXS 0506+056, un grande nucleo galattico ellittico associato a un buco nero molto massivo e ruotante al suo centro. Situato a circa 4 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra, vicino alla costellazione di Orione, questa galassia è fortemente energetica e luminosissima. Ed emette getti di luce e particelle elementari, fra cui neutrini ad alta energia: uno di questi, il neutrino cosmico individuato il 22 settembre scorso, puntava direttamente verso la Terra. L’associazione fra il neutrino rilevato da Ice Cube e la blazar si fonda dunque sulla coincidenza della posizione all’interno di un decimo di grado.

“Il risultato dell’osservazione della prima sorgente nota di raggi cosmici e neutrini ad alta energia”, sottolinea Francis Halzen, fisico alla University of Wisconsin-Madison e a capo per la parte scientifica dell’Ice Cube Neutrino Observatory, “è stringente”. Si tratta dunque della prima volta in cui un oggetto celeste emette sia fotoni (luce) sia neutrini, la luce ha permesso di identificare il neutrino elusivo e a sua volta il neutrino ha fornito informazioni sulla sorgente delle particelle dei raggi cosmici.

“Si apre l’era dell’astrofisica multimessaggero, aggiunge l’autore France Córdova della Nsf, “dove ciascun messaggero, dalla radiazione elettromagnetica alle onde gravitazionali e oggi i neutrini ci fornisce una più completa comprensione dell’universo”. Il risultato, inoltre, fornisce un nuovo tassello per comprendere dove nascono i raggi cosmici, che sono studiati da più di 100 anni e di cui non era nota l’origine.

Il risultato è stato corale e ha coinvolto più di 10 esperimenti in tutto il mondo. Appena rilevato il neutrino altamente energetico, la cui provenienza era sicuramente associata a grandi distanze, Ice Cube ha inviato un’allerta a vari telescopi, chiedendo di osservare la regione di origine del neutrino, in prossimità di Orione. Fra i vari esperimenti, il telescopio Fermi, missione della Nasa a cui l’Italia partecipa con Asi, Inaf e Infn, ha rilevato in quel punto una presenza di raggi gamma (i fotoni più energetici) più forti che mai vicino alla sorgente, il blazar TXS 0506+056.

Anche il telescopio Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope), nelle Canarie, ha individuato un getto di raggi gamma potentissimi associati alla sorgente TXS. Una coincidenza non casuale: mettendo insieme questi dati, queste osservazioni hanno dimostrato che la sorgente TXS 0506+056 è una delle più luminose dell’universo noto, concludono gli autori, sufficientemente potente da accelerare raggi cosmici ad alta energia e produrre i neutrini associati.

 
  

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La corsa all’economia dello spazio. L’Europa punta 16 miliardi

La Commissione europea propone di aumentare il budget per l’economia dello spazio. Obiettivo: salvaguardare l’industria locale e la competitività nel campo dei satelliti

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Sedici miliardi di euro per la corsa allo spazio. A tanto ammonta la spesa iscritta dalla Commissione europea nella proposta di budget 2021-2027. Circa 5 miliardi in più rispetto agli investimenti 2014-2020, tre volte tanto quelli del precedente settennato. D’altronde, come si legge nella propostache la Commissione ha spedito a Europarlamento e Consiglio europeo per avviare le negoziazioni (il cosiddetto trilogo), “tecnologia, dati e servizi spaziali sono diventati indispensabili nella vita quotidiana degli europei e giocano un ruolo essenziale per preservare vari interessi strategici. L’industria spaziale dell’Unione è già una delle più competitive al mondo”. Il primato, però, non è per sempre. “L’emergere di nuovi concorrenti e lo sviluppo di nuove tecnologie stanno rivoluzionando i modelli industriali tradizionali”, prosegue il documento.

Per questo Bruxelles intende aumentare gli investimenti. I programmi Galileo e Egnos, per la navigazione satellitare globale e regionale, riceveranno 9,7 miliardi. L’obiettivo è arrivare a fornire servizi gratuiti sempre più accurati, con un margine di errore nel posizionamento di 20 centimetri. Egnos è adoperato in 350 aeroporti per coordinare gli atterraggi quando c’è maltempo. Ed entro il 2035 la Commissione si aspetta un aumento del 4% dei voli sull’Europa. Galileo da quest’anno è integrato in ogni auto venduta in Europa per supportare il sistema automatico di chiamate di emergenza, Ecall, mentre dal 2019 integrerà tachigrafi digitali per controllare chi sfora i limiti di velocità.

E in futuro potrebbe tornare utile per applicazioni come droni, auto a guida autonoma e robot.

Altri 5,8 miliardi incasserà il programma Copernicus. Consiste nell’osservazione satellitare della terra e viene adoperato per monitorare emergenze ambientali, per la sicurezza in mare e per il cambiamento climatico. In futuro i dati saranno resi aperti per consentire a imprese e startup di costruire il proprio modello di business anche sulla base delle informazioni raccolte dai satelliti Ue. Per l’agricoltura, per esempio.

Infine 500 milioni foraggeranno i programmi di sicurezza. Da un lato la sorveglianza dello spazio, dall’attività solare agli asteroidi fino al rientro dei satelliti. Oggi un satellite su tre è prodotto in Europa. Un secondo piano, chiamato Govsatcom, svilupperà canali di comunicazione via satellite blindati e dallo spazio servirà a monitorare le frontiere e a fornire dati alle forze dell’ordine.

La staffetta globale Quella dello spazio è un’industria che già oggi in Europa dà lavoro a 231mila persone. Nel 2017 la Commissione stima che il settore abbia fatturato ricavi tra 53 miliardi di euro e 62 miliardi, a seconda dei servizi inclusi nel censimento. Un volume di affari secondo solo agli Stati Uniti.

La corsa alle stelle, però, si sta facendo sempre più agguerrita. Cina e Indiasono entrate a gamba tesa nella competizione. “Nel breve periodo, la riduzione dei costi di accesso allo spazio e la competizione da parte di altre nazioni che vogliono avventurarsi nell’esplorazione spaziale stanno portando a un’evidente conseguenza: l’Europa rischia di essere messa da parte nel settore dei lanciatori”, si legge nel pamphlet L’economia dello spazio, scritto a quattro mani di Andrea Sommariva, economista dell’università Bocconi di Milano, e da Giovanni Bignami, presidente dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), deceduto nel maggio del 2017.

È un rischio che riconosce la stessa Commissione europea nel documento del trilogo: “In termini di competitività, l’industria spaziale europea sta affrontando una dura concorrenza da parte di tradizionali, emergenti e nuove potenze dello spazio e da attori industriali. In aggiunta l’ecosistema di business sta spostando il focus dall’infrastruttura ad applicazioni e servizi. Questo pone l’industria europea sotto pressione (dai lanciatori di satelliti fino ai fornitori di servizi nell’indotto)”. Nel 2014 il settore dei lanciatori valeva 2,4 miliardi di dollari e 36mila impiegati.

Per Sommariva e Bignami, “finora il continente è rimasto legato al vecchio modello, ovvero contratti statali all’interno di un mercato basato su un monopolio di fatto”. È Ariane, che costruisce lanciatori e missili medi e pesanti. Fa eccezione l’italiana Avio, che produce razzi medi e piccoli, i Vega. “Servirebbero nuove politiche europee che cerchino di aumentare la competizione, far nascere nuove “Avio” e così far avanzare l’Europa verso l’indipendenza del settore dei lanciatori”, si legge nel libro. Qualcosa si muove, anche in Italia. D-Orbit è una startup di Fino Mornasco, nel Comasco, specializzata in sistemi di trasporto di satelliti. Ha firmato accordi con Ariane, ma anche con privati, come l’olandese Hyperion. Persino la Cina è interessata ai suoi progetti.

 

satelliti

A Madrid, vista dalla cattedrale dell’Almudena (foto: Gerard Julien/AFP/Getty Images)

Dal pubblico al privato

Il neonato Space economy evolution lab (See lab), centro di ricerca presso la Scuola di direzione aziendale della Bocconi, diretto proprio da Sommariva, cita un fatturato globale del settore spazio di 350 miliardi di dollari. Spiega Sommariva: “Il 70% deriva dalla fornitura di servizi, mentre il 30% circa dal comparto manifatturiero”, ossia la costruzioni di razzi, satelliti e strutture a terra. Appannaggio dei governi, lo spazio sta diventando però sempre di più un’impresa privata.

Per il See lab il risultato di investimenti come la SpaceX dell’imprenditore Elon Musk, la Blue Origin del patron di Amazon, Jeff Bezos, o Spaceship One, fondata dal cofondatore di Microsoft Paul Allen, è che il costo medio di un chilo di materiale lanciato nello spazio costa circa le metà rispetto a vettori classici. Come l’europeo Ariane. In sostanza, il vecchio continente rischia di non avere più prezzi competitivi per andare in orbita.

“I governi sono i grandi clienti. Quello che cambia nell’economia dello spazio è come contrattano queste forniture”, spiega Ian Christensen, direttore programmi privati della Secure World Foundation, fondazione statunitense che promuove sostenibilità e cooperazione nella corsa allo spazio. Per lo stesso Sommariva occorre “cooperazione internazionale per i progetti più avanzati. Nessuno da solo ha i soldi”. È il caso del Lunar orbital platform gateway, uno stazione spaziale che orbita intorno alla Luna. Al progetto lavorano la Nasa, l’Agenzia spaziale europea, la russa Roscosmos, la giapponese Jaxa e la Csa dal Canada. “Si stima che i primi elementi saranno installati nel 2022. Sarà uno spazioporto che potrebbe favorire la ricerca di minerali sulla Luna”, osserva Sommariva.

Una delle frontiere dell’economia dello spazio è l’estrazione di minerali fondamentali per l’industria terrestre, come le terre rare. “Questa base potrebbe far nascere attività minerarie nello spazio, partendo dalla Luna”, suggerisce Sommariva.

Sull’esito di questa ricerca è scettico Ugo Bardi, docente di chimica all’università di Firenze e presidente dell’associazione per gli studi su peak oil e gas (Aspo). “Penso che trasportare minerali dallo spazio alla terra resterà molto costoso. Penso che funzionerà l’uso nello spazio di metalli leggeri per assemblare piccoli satelliti in orbita. Avrebbe un immediato risparmio”, evidenzia Bardi.

Gli obiettivi di Bruxelles

Se l’estrazione di minerali e metalli resta una frontiera più lontana, il primo campo per misurare le potenze spaziali è l’economia legata alle orbite intorno alla Terra in cui gravitano i satelliti. Da qui la spinta del budget europeo 2021-27. Come riconosce Bruxelles, il sistema dei 30 satelliti di Galileo, il cui lancio in orbita sarà concluso nel 2020, richiede investimenti in infrastrutture e lanciatori. L’agenzia europea per il sistema globale di navigazione satellitare (Gnss), calcola che entro il 2030 prodotti e servizi basati su questa tecnologia muoveranno un giro d’affari da 250 miliardi di euro. Perciò, avverte Bruxelles “il valore aggiunto del sistema europeo Gnss non risiede soltanto nell’assicurare l’indipendenza dell’Europa rispetto a una tecnologia critica, ma anche nell’assicurare importanti benefici macroeconomici”.

Oggi 100 milioni apparecchi si collegano a Egnos, ma entro il 2027 ci si aspetta che triplichino a 290 milioni. E i satelliti dovranno rafforzare la rete di comunicazioni 5G, per raggiungere “i nuovi traguardi della banda larga, 30 mbps (download) entro il 2020 ed entro il 2025 100 mbps per tutti, anche nelle aree più remote”.

Il budget aggiuntivo a Copernicus, per esempio, consentirà di concentrarsi sugli effetti del cambiamento climatico e sulla sorveglianza per stroncare traffici illegali. Nel precedente settennato il programma ha sottoscritto 1.100 contratti di fornitura per un valore di oltre 2,1 miliardi.

Bruxelles stima tra il 2017 e il 2035 un indotto che va dai 67 miliardi di euro ai 131 miliardi. Un raddoppio. Senza però specificare a quali condizioni si possa verificare il passaggio da un estremo all’altro della forbice. Questo vale anche per i posti di lavoro creati: 12mila diretti e tra 27mila e 37mila nell’indotto. Sempre con ampie oscillazioni e senza una spiegazione del come e perché.

Bruxelles intende rivedere anche la cinghia di trasmissione delle decisioni. Le strategie restano in capo alla Commissione, che si avvarrà di due superconsulenti. Una è l’Agenzia spaziale europea, Esa, alla quale sarà affiancata con un ruolo di primo piano l’Agenzia dell’Unione europea per il programma spaziale. È in realtà un nuovo nome per un ente già esistente, l’Agenzia nazionale del sistema globale di navigazione satellitare europeo. La Commissione punta a chiudere il trilogo con Europarlamento e Consiglio in tempi stretti. Entro il 2019 vorrebbe ottenere il via libera al nuovo piano di spesa.

 
  

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Fisica

Acqua liquida sulla luna di Giove Europa

Un team internazionale di astronomi ha rielaborato i dati raccolti oltre 20 anni fa dalla missione Galileo e scoperto che sulla luna ghiacciata di Giove Europa, proprio come per la saturniana Encelado, sotto la superficie si nasconde un oceano caldo e gli ingredienti base per la vita

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C’era un mistero tra i dati della sonda Galileo che da ormai oltre 20 anni affliggeva gli astronomi. La sonda per anni ha raccolto dati su Giove e sui suoi satelliti, come Europa e Ganimede, e proprio sul primo ha rivelato una anomali magnetica che è diventato un vero e proprio mistero. Una curvatura del suo campo magnetico, piccola e localizzata, che per decenni è rimasta senza spiegazione, fino a oggi. Gli scienziati che stanno lavorando alla missione Europa Clipper della NASA, che è diretta a esplorare il satellite gioviano e verificarne l’abitabilità, ha spulciato tra i vecchi dati raccolti nel 1997 e con nuovi modelli informatici ha scoperto che dagli oceani ghiacciati e dai laghi sotterranei vengono espulsi dei getti di vapore acqueo, la prova che esiste acqua liquida e quindi gli ingredienti necessari a supportare la vita.

Alla guida del team di ricercatori che ha effettuato la scoperta pubblicata sulla rivista Nature Astronomy c’è Xianzhe Jia, fisico spaziale dell’Università del Michigan e collaboratore alla missione Europa Clipper, che ha spiegato: “I dati erano lì, ma avevamo bisogno di modelli più sofisticati per dare un senso alle osservazioni”.

A ispirare il salto nel passato, ha raccontato lo scienziato, è stata un altro membro del team scientifico della futura missione NASA, Melissa McGrath. La ricercatrice del SETI Institute ha mostrato durante una presentazione delle immagini scattate dal telescopio Hubble di una zona di Europa ed è allora che Jia ha avuto l’intuizione:

“Una delle località che ha menzionato ha fatto suonare nella mia testa un campanello. Galileo ha effettuato un passaggio ravvicinato proprio vicino a quella località, che è stata una delle più vicine osservazioni che abbiamo mai avuto a disposizione. È stato allora che abbiamo realizzato che avremmo dovuto ricontrollare i dati. Avevamo bisogno di vedere se c’era qualcosa tra i dati che poteva svelarci la presenza o meno di un getto”.

Vecchi dati alla mano e nuovi modelli nell’altra, Jia e colleghi si sono avventurati nell’analisi dei dati di Galileo, raccolti durante un flyby nel 1997 ad appena 200 chilometri dalla superficie di Europa, e nel confronto con le immagini ultraviolette scattate nel 2012 dal telescopio spaziale Hubble, in cui i getti sembravano venire emessi proprio dalla superficie ghiacciata del satellite.

Se già nelle immagini di Hubble sembrava chiara l’esistenza dei getti, i dati di Galileo rappresentano una prova ancora più forte e corroborante, un prova che però oltre 20 anni fa gli scienziati non furono in grado di svelare, perché gli strumenti a loro disposizione non erano adatti allo scopo e soprattutto il team non sospettava nemmeno della loro esistenza e che la sonda avesse potuto sfiorarli nel momento di eruzione dalla gelida luna.

Oggi infatti sappiamo che i getti esistono su Encelado, la luna ghiacciata di Saturno, e che si tratta di materiale che viene espulso in pennacchi che si ionizzano e lasciano un caratteristico segnale nel campo magnetico del pianeta. Applicando la moderna conoscenza di come questi getti influenzano il campo magnetico del satellite e rielaborando i dati del magnometro ad alta risoluzione raccolti durante il passaggio ravvicinato ad Europa, finalmente i ricercatori hanno identificato la causa di quella piccola e localizzata curva che è proprio la prova della presenza di un caratteristico pennacchio.

Oltre al magnometro, Galileo disponeva anche di uno spettrometro per le onde di plasma, che ha catturato le onde provocate dalle particelle cariche nei gas che compongono l’atmosfera di Europa. E anche nella rielaborazione di questi dati, la teoria della presenza dei getti sembrava trovare conferma. Mettendo a confronto queste due prove in un nuovo modello tridimensionale dell’interazione tra plasma e corpi celesti del sistema solare e aggiungendo alla “ricetta” le osservazioni di Hubble, Jia e colleghi sono riusciti anche a definire le dimensioni di questi getti di vapore. Robert Pappalardo, project scientist della missione Europa Clipper al Nasa Jet Propulsion Laboratory (JPL) di Pasadina, in California, ha spiegato:

“Ora sembrano esserci molte linee di prova per negare l’esistenza di pennacchi su Europa. Questo risultato li rende molto più reali e, per me, rappresenta un punto di svolta: non si trattano più di indizi incerti da una immagine lontana”.

Un risultato, quello ottenuto da Jia e colleghi, che cambia l’approccio degli scienziati nella progettazione della missione Europa Clipper, che sarà lanciata dalla NASA nel 2022 proprio per raggiungere il satellite di Giove, raccogliere campioni della sua atmosfera e superficie e permettere di studiarne l’abitabilità.

Conoscere l’esistenza dei getti di vapore infatti cambia anche i percorsi orbitali della futura sonda, che non avrà più bisogno di perforare il ghiaccio della superficie della luna per raccogliere campioni del suo interno, ma potrà semplicemente attingere dai getti espulsi per svelare la composizione interna del corpo celeste, come ha spiegato Pappalardo:

“Se i getti esistono e possiamo raccogliere campioni direttamente di quanto sta uscendo dall’interno di Europa, dopo saremo in grado più facilmente di capire se il satellite ha gli ingredienti per la vita. Questo è l’obiettivo della missione, il grande quadro d’insieme”.

Il salto nel passato dunque apre un nuovo futuro nell’esplorazione spaziale, gettando le basi sia per Europa Clipper che per la futura missione Juice (Jupiter Icy Moons Explorer) dell’Agenzia spaziale europea. Dopo 20 anni finalmente uno dei misteri di Europa è stato svelato e ora agli scienziati non resta che dare la caccia all’acqua e a quegli elementi che potrebbero fare del satellite un luogo potenzialmente abitabile.

 
  

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