viernes, 29 de enero de 2016

Una visita al reino de las lunas oscuras del séptimo planeta (30 años del sobrevuelo de Urano por la Voyager 2)

El 24 de enero de 1986 la sonda Voyager 2 pasó a 64000 km/h a poca distancia de Urano. Era la primera vez que un artefacto humano alcanzaba este misterioso planeta. La Voyager 2 nos enseñó un planeta mundo rodeado de satélites oscuros. Desde entonces nada ni nadie ha vuelto a explorar el séptimo planeta y su exótico complejo de lunas. Hoy en día, los satélites de Urano son el sistema de lunas que peor comprendemos de todo el sistema solar, pero lo poco que sabemos es en gran parte gracias a esa visita fugaz de la Voyager 2.

Urano visto por la Voyager 2 después del encuentro del 24 de enero de 1986. Una perspectiva imposible de obtener desde la Tierra (NASA/JPL).
Urano visto por la Voyager 2 después del encuentro del 24 de enero de 1986. Una perspectiva imposible de obtener desde la Tierra (NASA/JPL).
Como es sabido, las misiones Voyager aprovecharon una alineación planetaria inusual que permitía a una sola nave visitar los cuatro planetas exteriores mediante maniobras de asistencia gravitatoria. Menos conocido es el hecho de que el sobrevuelo de Urano y Neptuno no había sido aprobado formalmente cuando las Voyager fueron lanzadas en 1977. La misión que terminaría siendo conocida como Voyager nació como el proyecto Grand Tour. Este proyecto consistía en cuatro sondas TOPS (Thermoelectric Outer Planets Spacecraft), dos de las cuales pasarían por Júpiter, Urano y Plutón y otras dos viajarían a Júpiter, Saturno y Neptuno. El programa Grand Tour fue cancelado por su alto coste y sería sustituido por otras dos sondas, versiones más modestas de las TOPS denominadas Mariner Jupiter-Uranus (MJU) y Mariner Jupiter-Saturn (MJS).

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Trayectorias JUN (Júpiter-Urano-Neptuno) y JSN (Júpiter-Saturno-Plutón) para las misiones Grand Tour (NASA).

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Sondas TOPS del programa Grand Tour (NASA).

Como su nombre indica, las dos sondas MJU79 -debían despegar en 1979- usaban una trayectoria que pasaría por Júpiter, Urano y Neptuno, aunque en principio sólo visitarían los dos primeros planetas. Si el presupuesto lo permitía, entonces se daría luz verde a la misión de Neptuno. Las dos sondas MJU irían dotadas de cápsulas para el estudio de la atmósfera de Júpiter y Urano y su diseño era casi idéntico al de las Voyager.

La Mariner-Jupiter-Uranus con la sonda atmosférica en su parte inferior. Se aprecia la antena de retransmisión de datos para la sonda (NASA).
La Mariner-Jupiter-Uranus con la sonda atmosférica en su parte inferior. Se aprecia la antena de retransmisión de datos para la sonda (NASA).

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Diseño de la Mariner Jupiter-Saturn (MJS77), precursora de las Voyager (NASA).
En 1974 la NASA cambió la trayectoria de la misión para visitar los cuatro planetas gigantes y, consiguientemente, el programa pasó a denominarse Mariner Jupiter-Saturn (MJS 77) y también se eliminaron las sondas atmosféricas para ahorrar dinero. Finalmente, en 1977 -poco antes del lanzamiento- el proyecto MJS sería bautizado oficialmente como Voyager. El presupuesto de la misión no incluía la visita de Urano y Neptuno, aunque la NASA era consciente de la oportunidad única que significaba la alineación planetaria de los años 80. Cuando ambas Voyager partieron en su épico viaje que las llevaría más allá del sistema solar, la NASA anunció que solo aprobaría el sobrevuelo de Urano si las dos naves cumplían su misión en Saturno tal y como estaba previsto.

Trayectoria MJS: Mariner-Jupiter-Saturn (NASA).
Trayectoria MJS: Mariner-Jupiter-Saturn (NASA).

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Diseño final de las sondas Voyager (NASA).
Estaba previsto que la Voyager 1 sobrevolase Titán, la mayor luna de Saturno, siguiendo una trayectoria que le impediría seguir hacia Urano y Neptuno. La responsabilidad de estudiar estos dos planetas recayó sobre la Voyager 2 en exclusiva. Ahora nos puede parecer increíble, pero entonces la NASA consideraba que estudiar Titán era una prioridad por delante del sobrevuelo de Urano y Neptuno. Ya habría tiempo de mandar otras sondas a estos planetas en caso necesario. Obviamente, el tiempo demostraría la ingenuidad de esta proposición.
En 1981 la Voyager 2 sobrevoló Saturno realizando una maniobra de asistencia gravitatoria de manera que su trayectoria pasaría por Urano cinco años más tarde. Solo entonces, y como había prometido, la NASA aprobó formalmente el estudio de Urano bajo el nombre de Voyager Uranus/Interstellar Mission. Como bien indica el nombre, todavía no estaba claro si la sonda sería capaz de visitar Neptuno, razón por la que no se le menciona en el nuevo proyecto. Pese a todo, la agencia recortó el presupuesto de la misión y redujo el personal técnico a la mitad, aunque el equipo científico permaneció más o menos igual.
Pero viajar a Urano no iba a ser un camino de rosas. Como hemos visto, con el fin de reducir costes las Voyager no habían sido diseñadas para visitar Urano y Neptuno. De hecho, ni siquiera se modificó el espectrómetro infrarrojo IRIS como pedían algunos científicos que deseaban observaciones más detalladas de las atmósferas de los dos gigantes de hielo. El principal obstáculo era la iluminación. Situado a unos 2900 millones de kilómetros del Sol, casi el doble de la distancia a la que se encuentra Saturno, Urano recibe una cuarta parte de la luz que baña al gigante anillado. Una solución sencilla era aumentar el tiempo de exposición de cada imagen, pero con los niveles de iluminación de Urano el tiempo para tomar cada fotografía requería unos quince segundos. A la velocidad que iba a sobrevolar Urano la Voyager 2 eso significaba que las imágenes saldrían borrosas. Si el equipo de la misión no hacía algo al respecto, la nave pasaría por las cercanías del gigante de hielo como un turista despistado sin sacar ni una sola foto decente.
Los ingenieros decidieron compensar los altos tiempos de exposición evitando cualquier pequeña vibración de la nave y moviendo toda la sonda para que las cámaras apuntasen al mismo sitio durante la captura de imágenes. Hay que tener en cuenta que incluso la activación de la cinta magnética usada por la sonda para grabar los datos era capaz de imprimir un giro a la nave y dar al traste con una fotografía. La solución fue cambiar el software para que los impulsores de hidracina del sistema de control de posición se encendiesen durante menos tiempo, proporcionando la mitad del empuje normal. De este modo los técnicos dispondrían de un control más fino de los movimientos de la nave, pero a cambio había que encender los propulsores muchas más veces. Cada vez que la cinta de la Voyager 2 se pusiese en marcha, un pequeño propulsor se encendería para evitar que la nave girase. Y lo mismo con el resto de sistemas móviles. El equipo de la misión ya había probado a usar los impulsores para apuntar la nave durante el sobrevuelo de Rea, una luna de Saturno, pero esta técnica tenía el inconveniente de que era necesario esperar a que la sonda dejase de vibrar después de los propulsores se activasen. Al menos los cámara de la Voyager 2 contaba con la ventaja de ser un 50% más sensible que su hermana de la Voyager 1, un azar del destino que resultó ser crucial para el estudio de Urano y Neptuno.
La cámara y el resto de instrumentos de la Voyager 2 estaban situados en una plataforma móvil que permitía apuntar al objetivo sin necesidad de mover toda la nave. Pero, para complicar las cosas, la plataforma había sufrido un fallo poco después del máximo acercamiento a Saturno que impedía el giro en uno de los dos ejes de rotación. El problema se debió a la pérdida de lubricante ocasionada por el giro a gran velocidad de la plataforma durante el encuentro. Afortunadamente, tras numerosos esfuerzos por parte de los técnicos, en febrero de 1983 la plataforma volvió a la vida, un respiro más que necesario de cara a un encuentro de por sí bastante complejo.

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Plataforma móvil de instrumentos de la Voyager (NASA/JPL).
Pero quedaba por solucionar otro gran obstáculo: las comunicaciones. Y es que mandar datos desde la frontera del sistema solar no es nada sencillo. Por culpa de la enorme distancia la velocidad de transmisión de datos durante el encuentro estaría limitada a unos exiguos 14,4 kbps, frente a los 115,2 kbps del sobrevuelo de Júpiter. La NASA afrontó el problema desde los dos extremos. Por un lado, la red de espacio profundo (DSN) de la NASA fue mejorada de cara a la misión para permitir escuchar la débil señal de la sonda. Se instalaron nuevas antenas de 34 metros de diámetro junto a las de 64 metros ya existentes en Goldstone, Madrid y Canberra (esta última sería la antena primaria durante el sobrevuelo). Gracias a estas modificaciones se pudo aumentar la capacidad de transmisión a 21,6 kb/s (29,9 kb/s de forma excepcional), o lo que es lo mismo, la nave sería capaz de enviar doscientas fotografías al día en vez de solo sesenta.
Por otro, la sonda fue reprogramada con un nuevo software que le permitía comprimir las imágenes antes de enviarlas, reduciendo el ancho de banda necesario para mandar cada fotografía de 800 x 800 píxels. Actualmente todos estamos familiarizados con formatos de compresión de imagen como .jpg o .png, pero a mediados de los años 80 la introducción de esta técnica supuso una pequeña revolución informática dentro de la NASA. En definitiva, el encuentro con Urano fue posible gracias a que era posible actualizar el software de la sonda. De no haber sido así, no tendríamos ninguna imagen de calidad de Urano y Neptuno.

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Secuencia del encuentro de la Voyager 2 con Urano (NASA/JPL).
La sonda también tuvo que hacer frente a la disminución de potencia del generador de radioisótopos (RTG). En vez de los 448 vatios disponibles durante el encuentro con Júpiter o los 429 vatios del sobrevuelo de Saturno, durante el paso por Urano la Voyager 2 solo dispondría de 398 vatios. Esta reducción de potencia eléctrica, sumada a las limitaciones de la iluminación, obligó a replantear la secuencia de observación de los once instrumentos científicos de la nave. Por ejemplo, el modo S de transmisión de alta potencia, requerido para los experimentos de ocultación que debían estudiar la atmósfera de Urano, solo podía usarse si se apagaban otros instrumentos. El problema es que siempre existía el riesgo de que no se pudiesen encender otra vez.
Había una complicación añadida que la NASA era incapaz de controlar. Urano es el único planeta del sistema solar que gira ‘tumbado’, es decir, presenta una inclinación de su eje de rotación que alcanza los 98º. Todo el sistema de anillos y lunas del planeta tiene la misma inclinación, por lo que la Voyager 2 atravesaría el sistema de Urano como si fuera una bala disparada hacia una diana, literalmente. La sonda no podría, como había hecho en Júpiter y Saturno, acercarse primero a un satélite y luego a otro -dentro de los límites de la trayectoria- durante casi un día. El momento de máximo acercamiento a Urano también lo sería de todas sus lunas -con un margen de 5,5 horas- y solo sería posible obtener imágenes de baja resolución de los satélites más alejados.

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Otra imagen de la geometría del encuentro (NASA/JPL).
La NASA se enfrentó al mismo problema que habían tenido las primeras misiones a los planetas interiores o, más recientemente, la New Horizons con Plutón. A mediados de los 80 la órbita de Urano no se conocía con la suficiente precisión como para garantizar un sobrevuelo a corta distancia. La Voyager 2 debería guiarse ella misma en este nuevo mar desconocido. Por suerte, la red DSN era capaz de determinar la posición de la Voyager 2 en el espacio interplanetario con una precisión de 20 metros. Las observaciones de Urano, que comenzaron en junio de 1985, servirían para refinar las efemérides orbitales del planeta y permitir un encuentro lo más cercano posible que garantizase un posterior sobrevuelo de Neptuno en 1989.
Los cálculos demostraban que para permitir el paso por Neptuno la sonda debía acercarse por dentro de la órbita de Miranda, por entonces la luna conocida más interior. El equipo de la misión decidió ajustar la trayectoria para que pasase tan cerca de Miranda como fuese posible sin que las imágenes saliesen borrosas. El 13 de noviembre de 1984 la Voyager 2 encendió sus propulsores para pasar a unos 100 000 kilómetros de Urano. El encuentro con Urano, dividido en cuatro fases, se prolongaría desde el 4 de noviembre de 1985 hasta el 26 de febrero de 1986. La adquisición de la mayoría de datos tendría lugar entre el 22 y el 26 de febrero, durante la etapa de Encuentro Cercano (NE). Una semana antes del sobrevuelo el equipo de la misión sufrió un pequeño ataque de pánico al comprobar que las imágenes recibidas estaban repletas de rayas y otros artefactos. La culpa era de un fallo en la memoria que pudo ser solucionado rápidamente.

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Campo de visión de las cámaras de la Voyager 2 (NASA/JPL).
El 24 de enero de 1986 fue un gran día para la exploración del sistema solar. A las 17:59 UTC la Voyager 2 pasó a 81500 kilómetros de Urano. El error en el punto máximo de su trayectoria había sido inferior a cien kilómetros. No estaba mal para una sonda construida con tecnología de los años 70 que visitaba un planeta casi totalmente desconocido. La trayectoria de la nave la hizo pasar por detrás de los anillos y le imprimió un ’empujón’ de 2 km/s. Después de cinco horas y media de frenética actividad recogiendo datos, las primeras imágenes llegaron a la Tierra.

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Urano visto por la Voyager 2 en enero de 1986 (NASA/JPL).
Como se había podido comprobar en las imágenes previas de navegación, Urano resultó ser un disco de color turquesa sin características apreciables. No se veían bandas ni cinturones como en Júpiter o Saturno. Nada. La atmósfera superior rica en metano era absolutamente homogénea. Análisis posteriores revelaron algunas estructuras atmosféricas en las imágenes, aunque si la sonda hubiese sido capaz de tomar imágenes en infrarrojo habría podido ver sin duda tormentas y bandas nubosas similares a los observados años más tarde con el telescopio espacial Hubble y otros instrumentos terrestres. La Voyager 2 tuvo la mala suerte de visitar Urano justo durante el verano del hemisferio sur. Ahora sabemos que la atmósfera de Urano se pone realmente interesante durante los ‘equinoccios’. Como contrapartida, el campo magnético del planeta fue todo un hallazgo. Su inclinación de 59º, combinada con la inclinación del eje de rotación, era la causante de que tuviese una forma asimétrica similar a la de un sacacorchos. Además, el origen del campo magnético de Urano -y el de Neptuno- no estaba, como en el resto de planetas, cerca del núcleo, sino el manto.

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Campos magnéticos de Urano y Neptuno (NASA).
Un misterio aún sin resolver es el relativamente frío interior del planeta, y eso a pesar de estar mucho más cerca del Sol que Neptuno. Nadie sabe por qué. La Voyager 2 también descubrió nuevos anillos alrededor de Urano y confirmó la presencia de otros, lo que permitió elevar a once el número de anillos conocidos. Los anillos de Urano son finos y oscuros, como los de Neptuno, por lo que es probable que sus procesos de formación sean distintos a los anillos de Júpiter y Saturno. Pero los grandes protagonistas del encuentro fueron los satélites. Además de las cinco lunas conocidas -Miranda, Umbriel, Ariel, Titania y Oberón-, la Voyager 2 descubrió diez más, incluyendo varias lunas pastoras que dan forma a los anillos (hoy se conocen 27 satélites).

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Procesando las imágenes de Urano se ve cierto detalle en la atmósfera, compuesta en un 85% de hidrógeno y un 15% de helio (NASA/JPL).

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Los anillos de Urano (NASA/JPL).
Cierto es que el sistema de satélites pareció ser en un principio igual de ‘aburrido’ que su planeta madre. Sin lunas con atmósfera como Titán o con una actividad geológica inusitada como Ío, los satélites de Urano supusieron para muchos una pequeña decepción. Las lunas principales se revelaron como pequeños mundos -Titania, la más grande, solo tiene 1580 kilómetros de diámetro- con una masa combinada inferior a la de Tritón, el mayor satélite de Neptuno. Además de pequeños, los satélites eran extrañamente oscuros. La densidad de los mismos indicaba que debían estar formados por un 70% de hielos y un 30% de roca, pero a diferencia de la mayoría de prístinos satélites de Saturno, con cortezas de hielo de agua casi puro, las lunas de Urano destacaban por su bajo albedo. Esto se debe a que la luz solar y los rayos cósmicos han creado un gran número de sustancias orgánicas al interactuar con el metano de la superficie, aunque los detalles no están nada claros todavía.

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Los cinco satélites principales de Urano. De izqda. a dcha.: Miranda, Ariel, Umbriel, Titania y Oberón (NASA/JPL).

Todas las imágenes de las lunas de Urano vistas por la Voyager 2 (NASA/Ted Stryk).
Todas las imágenes de las lunas de Urano vistas por la Voyager 2 (NASA/Ted Stryk).

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Puck, la mayor luna de las descubiertas por la Voyager 2 (NASA/JPL).
La Voyager 2 descubrió que Umbriel es la luna más oscura de todas, con una superficie plagada de cráteres de todos los tamaños y solamente dos zonas brillantes (¿de hielo?). Oberón es parecido a Umbriel, repleto de cráteres, aunque con muchos rayos de color claro procedentes de los impactos más jóvenes. Titania y Ariel, por contra, poseen varias fracturas y cañones, señales de que estos mundos tuvieron una fase de actividad geológica hace eones. Ariel, en concreto, tiene la superficie más joven del sistema de Urano.

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Ariel y sus fallas tectónicas (NASA/JPL).
Miranda, la más pequeña de las lunas conocidas, fue la verdadera sorpresa de la misión. Pese a tener un diámetro de apenas 500 kilómetros, parece estar hecha a base de trozos completamente distintos. Se cree que esta especie de ‘frankenluna’ se formó después de que un impacto la destrozase parcialmente y los diferentes cachos se juntasen otra vez en órbita de Urano. De entre todas las características geológicas destaca Verona Rupes, un acantilado de 5 kilómetros de caída que lo convierten en el mayor del sistema solar.

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Miranda (NASA/JPL).

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Verona Rupes, los mayores acantilados del sistema solar (NASA/JPL).
La Voyager 2 completó su misión en Urano de forma totalmente exitosa. Tres años más tarde repetiría la hazaña al pasar por Neptuno. Desde entonces hemos descubierto que Urano, lejos de ser un planeta ‘aburrido’, es un mundo activo que esconde muchos de los secretos de la formación del sistema solar. Su sistema de lunas puede que no sea tan impresionante como el de Júpiter o Saturno, pero es el del que tenemos menos datos de todo el sistema solar. Ya va siendo hora de que regresemos.

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