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Gregorio J. Molina Cuberos | Instituto de Astrofísica de Andalucía

La nave Cassini-Huygens, la última gran misión de exploración planetaria, después de pasar por las cercanías de Júpiter, se dirige a su objetivo, Saturno, al que llegará en el año 2004. El autor, investigador del IAA e involucrado en la misión, nos explica con detalle qué secretos intentan desvelar los científicos con las sondas Cassini y Huygens.




La Misión.

Cabo Cañaveral, 15 de octubre de 1997. Desde el lanzamiento de los Apolo, a finales de los 60 y principios de los 70, no se veía tanta expectación. El cohete Titán IV/Centaur, el mayor sistema de lanzamiento estadounidense en funcionamiento, estaba en la pista. En su interior se encontraba una de las mayores y más complejas naves espaciales lanzada al espacio interplanetario. Su objetivo, el más ambicioso hasta la fecha: situar a una nave de cinco toneladas y media en la ruta correcta para llegar hasta Saturno, situado a 1.430.000.000 km del Sol (10 UA).

De este modo partió la nave Cassini-Huygens rumbo al sistema de Saturno. Los que no pudimos observar en directo su partida, tuvimos que contentarnos con lo que nos contaban los afortunados que lo presenciaron.

Desde su lanzamiento, Cassini-Huygens ha recibido asistencia gravitacional de Venus en abril de 1998 y junio de 1999, y de la Tierra en agosto 1999. A finales del año 2000 recibió un último empuje gravitacional de Júpiter que le permitirá llegar a Saturno. Tras algo menos de siete años de vuelo y de recorrer una distancia equivalente a 21 veces la distancia Tierra-Sol, Cassini-Huygens llegará a Saturno en julio de 2004.

«Desde su lanzamiento, Cassini-Huygens ha recibido asistencia gravitacional de Venus en abril de 1998 y junio de 1999, y de la Tierra en agosto 1999»
Uno de los momentos más complicados que deberá superar tendrá lugar el 6 de diciembre de 2004, cuando la sonda Huygens se separe del orbitador Cassini y parta al encuentro de Titán, en el que está previsto que entre el 27 de noviembre de 2005.

La parte principal del proyecto la forma el vehículo orbital Cassini dedicado a estudiar Saturno, con su atmósfera y magnetosfera, y todos los objetos que lo orbitan como anillos y satélites. La sonda Huygens está destinada enteramente a Titán, el mayor de sus satélites, sobre el que descenderá atravesando su densa atmósfera hasta la superficie. Cassini también servirá de receptor de los datos tomados por Huygens para su posterior envío a la Tierra. La misión Cassini-Huygens llevará a cabo en profundidad la segunda fase de exploración del sistema de Saturno, tras el reconocimiento inicial de las misiones Pioneer 11 y Voyager 1-2. La lista de objetivos científicos de la misión es extensa, pero podemos resumirlos en el estudio de cinco grandes grupos principales:

  • Composición general y estado físico de la atmósfera de Saturno.
  • Composición química y estado físico de la atmósfera y superficie de Titán.
  • Composición química y estado físico de los satélites helados de Saturno.
  • Composición química y estado físico de los anillos.
  • Estructura y dinámica física de la magnetosfera.





Lanzamiento de Cassini-Huygens a bordo de un Titan IV/Centaur desde Cabo Cañaveral el 15 de octubre de 1997. Cortesía NASA.


Instrumentos científicos.

Para lograr estos objetivos Cassini-Huygens cuenta con el conjunto de instrumentos científicos más avanzados lanzados nunca al espacio. El más interesante de cara al público general es, sin duda, el Imaging Science Subsystem que fotografiará Saturno, los anillos, Titán, los satélites helados y campos de estrellas. Con estas imágenes se podrá estudiar las atmósferas de Saturno y Titán, la interacción de los anillos con el planeta y satélites, y la superficie y características de todas sus lunas. Otro instrumento óptico es el Visible and Infrared Mapping Spectrometer que obtendrá mapas de los anillos y satélites, proporcionando información de la distribución y características químicas de los minerales en su superficie. También servirá para buscar rayos en Saturno y Titán, así como investigar la presencia de volcanes activos en Titán.

«Saturno, al igual que Júpiter, emite más energía al exterior que la que recibe del Sol»
El Composite Infrared Spectrometer medirá las emisiones en infrarrojo de la atmósfera, anillos y satélites. El instrumento podrá determinar perfiles de temperatura y composición de gases en las atmósferas de Saturno y Titán. Estas medidas nos ayudarán a evaluar el calentamiento de la atmósfera de Saturno debido a la radiación solar, y compararlo con el calentamiento producido en el interior del planeta. Saturno, al igual que Júpiter, emite más energía al exterior que la que recibe del Sol. Esta pérdida neta de energía necesita de una fuente interna. Descartadas reacciones de fusión similares a las solares por la insuficiente presión interior de Saturno, la energía debe venir de la compresión y reestructuración de su interior debido a la gravedad.




Instrumentos a bordo de Cassini. Cortesía NASA.

El Ultraviolet Imagin Spectrograph medirá la luz ultravioleta que pasa a través de la atmósfera cuando Saturno se interponga entre el Sol y Cassini. Este experimento permitirá estudiar los cambios en la composición atmosférica dependiendo con la altura, mediante la medida de la intensidad de la luz solar a varios colores. Cada molécula de la atmósfera de Saturno puede ser identificada por su absorción y emisión de luz. Las medidas del espectrómetro ultravioleta pueden ser seguidas con observaciones del Telescopio Espacial Hubble para estudiar conjuntamente las auroras en Saturno.

El Radar investigará, entre otras cosas, la superficie de la luna Titán. Su densa atmósfera posee una gruesa capa de aerosoles que impiden observar su superficie, de la que no sabemos siquiera si es sólida o líquida. Con el Radar se podrán trazar mapas del satélite tal y como hizo la nave Magallanes en Venus.

Cassini también realizará experimentos en colaboración con los observatorios en la Tierra. Para ello las antenas de 70 y 34 metros del Deep Space Network recibirán las ondas de radio emitidas por Cassini durante las alineaciones Cassini-Saturno-Tierra. Las modificaciones en las ondas al cruzar atmósferas, anillos o lunas permitirán medir parámetros como densidad electrónica, temperatura, presión y vientos de la ionosfera.

Los alrededores de Saturno son un lugar apropiado para la generación de pequeños hielos y partículas de polvo. El impacto de meteoroides en las superficies de anillos y satélites helados extrae partículas del suelo que se pueden escapar fácilmente debido a la baja gravedad. El análisis de la composición y velocidad de este polvo y del proveniente de fuera de Saturno, permite estudiar no sólo la superficie de anillos y satélites, sino que también proporciona información de los objetos impactantes: meteoritos o fragmentos de cometas.

La llegada de Pioneer y Voyager a Saturno nos mostraron imágenes de los anillos desconocidas hasta la fecha, e hicieron renacer las viejas preguntas que todavía siguen sin respuesta: ¿cómo se formaron?, ¿por qué están allí? y sobre todo, ¿por qué siguen? A priori parecen estructuras muy poco estables. El dilema se hizo mayor al saber que el resto de los planetas gigantes (es decir Júpiter, Neptuno y Urano) también tienen anillos o trazas de ellos, si bien son mucho menos espectaculares que los de Saturno.

La técnica observacional más usual con los anillos es la imagen directa. De este modo Voyager descubrió que están formados por múltiples aros concéntricos de distinto grosor, con huecos y escalones. También aparecieron varios satélites en órbitas resonantes que, con su fuerza gravitacional, parecen estabilizar el sistema anular e impedir su dispersión. Estudiando el paso de la luz proveniente de una estrella a través de los anillos, se pueden conseguir resoluciones de hasta 100 metros en la estructura anular. Esto ya lo hizo Voyager y descubrió que la famosa división de Cassini no estaba vacía completamente. Con la llegada de Cassini se dispondrá de mucho más tiempo de observación y de mejores imágenes para intentar resolver alguno de sus misterios.


Huygens y los secretos de Titán.

Cuando en 1908 el astrónomo español Comas Solá intuyó la presencia de una atmósfera en Titán, no se podía imaginar que estaba observando una atmósfera mucho más densa y compleja que la terrestre. Las primeras imágenes de Titán tomadas por Voyager son, desde el punto de vista de un profano, un tanto decepcionantes. No se ven montañas, cráteres o depósitos de lava como en el resto de los satélites, tan sólo un disco anaranjado con alguna diferencia de brillo entre el norte y el sur. Pero, tras analizar las medidas tomadas por otros instrumentos, un pensamiento cruzó la mente de muchos investigadores: ¡Tenemos que ir allí!

Para ello se pensó dedicarle en exclusiva una sonda. Es la primera vez que se hace esto con un satélite distinto al nuestro. Pero el descenso a través de Titán es bastante más complicado que sobre la Luna. Durante la fase de entrada, su escudo protector frenará la caída desde una velocidad inicial de 6 000 m/s hasta 400 m/s (Match 1,5) en menos de 2 minutos. La fase de descenso se iniciará a 180 km deshaciéndose del escudo protector, gracias al frenado por paracaídas, y tomando las primeras medidas científicas. A unos 50 km las cámaras de abordo tomarán una panorámica de la superficie y de las nubes de alrededor. Cuando se aproxime al suelo, medirá las emisiones de la superficie. Después de más de dos horas de recogida de datos, Huygens impactará a baja velocidad con la superficie de Titán. Si la sonda sobrevive, lo cual no esta garantizado, los instrumentos de abordo continuarán la toma de datos durante un tiempo total de 3 horas.




Descenso de Huygens sobre Titán. Cortesía ESA.

El acelerómetro funcionará desde los 1 270 km para dirigir las maniobras de descenso. El resto de los instrumentos atmosféricos medirán a partir de 170 km. Los objetivos científicos de Huygens son:

  • Determinar las características físicas de la atmósfera, en particular densidad, presión y temperatura en función de la altura.
  • Determinar la concentración de constituyentes atmosféricos, con especial atención a los gases nobles y a la razón isotópica de los elementos más abundantes. Con ello se pretende restringir los escenarios de formación y evolución de Titán y su atmósfera.
  • Observar la distribución vertical y horizontal de gases, investigar las moléculas orgánicas complejas; analizar las fuentes de energía de la química atmosférica; modelizar la fotoquímica de la estratosfera; estudiar la formación y composición de aerosoles.
  • Medir vientos y temperatura global; investigar la física de nubes, circulación general y efectos estacionales en la atmósfera de Titán; investigar las descargas de rayos.
  • Determinar el estado físico, topografía y composición de la superficie; inferir la estructura interna.
  • Analizar la alta atmósfera, su ionización, y su papel como fuente de material neutro e ionizado a la atmósfera de Saturno.



Más allá de la misión principal.

Todo este estudio se realizará durante la misión nominal, que finalizará en julio de 2008. Una vez acabado este periodo, todos los objetivos descritos antes han de ser alcanzados. Luego, está por definir la misión extendida. El tiempo de duración de esta segunda fase es muy difícil de estimar. Por tomar un ejemplo, Galileo lleva tres años más de los previstos estudiando Júpiter bajo unas condiciones de radiación mucho más difíciles de las que se esperan en Saturno. Se manejan varias posibilidades para la misión extendida como son un escape de Saturno, disminuir su distancia orbital para estudiar más detalladamente el planeta, transformarla en un satélite de Titán, alterar la rotación orbital o su inclinación para observar desde puntos diferentes...

Es muy difícil predecir los objetivos para la misión extendida. Es muy probable que los descubrimientos de Cassini nos hagan cambiar las prioridades de la misión extendida como ya ocurrió con Galileo.


La aportación española en la misión.

Para llevar a cabo el magno proyecto de investigación que significa la misión Cassini-Huygens se han tenido que unir las agencias espaciales estadounidense y europea, involucrando un total de 16 paises. El Departamento del Sistema Solar del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) ha participado junto con otras instituciones europeas en el instrumento Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) a bordo de Huygens. HASI fue diseñado para medir las propiedades físicas que caracterizan la atmósfera y superficie de Titán, es decir, temperatura, presión, vientos, turbulencia, rugosidad y permitividad de la superficie, conductividad eléctrica y existencia de rayos.

Como preparación a la llegada de Huygens el IAA ha colaborado en el lanzamiento del HASI a la estratosfera terrestre por medio de globos, campañas realizadas en León y Sicilia, y estudia la realización de nuevos y mas complejos experimentos que involucren al resto de instrumentos de Huygens, futura campaña en la Antártida. Estas experiencias, realizadas en condiciones similares a las del descenso en Titán, nos permiten ajustar los programas de análisis e interpretación de los resultados que en su día produzca HASI.

La labor de investigación del Instituto de Astrofísica de Andalucía, donde ha colaborado el autor, consiste en desarrollar modelos teóricos previos a la llegada de Cassini-Huygens con vistas a aprovechar al máximo las medidas que se realizen. Más concretamente, se ha estudiado la composición y densidad de iones y electrones en la ionosfera de Titan. Conociendo la concentración de cargas, se puede conocer la conductividad eléctrica en la atmósfera y compararla con la capacidad de HASI para medirla. También se ha analizado las medidas obtenidas con los globos que han servido para estudiar el comportamiento del instrumento en condiciones reales de medida. En la actualidad se está analizando, en colaboración con colegas del Institut für Institut für Weltraumforschung de Graz (Austria), la posibilidad de que se produzcan rayos en la atmósfera y la capacidad de detectarlos gracias a HASI y a otros instrumentos en Cassini.

Desde un punto de vista español, la misión Cassini-Huygens ha significado un salto cualitativo y cuantitativo en la investigacion espacial española al ser la primera vez que un instrumento científico desarrollado y fabricado en España sale de la órbita terrestre. A este proyecto le siguen otros que sin duda ayudarán a aumentar nuestro conocimiento del Sistema Solar.

Conocimiento o desconocimiento del Sistema Solar, según se mire, porque suele ocurrir en ciencia espacial que por cada cuestión que se resuelve, otras dos nuevas se plantean.


Páginas de Interés.








Gregorio J. Molina-Cuberos
Institut füer Weltraumforschung
Öesterreichische Akademie der Wissenschaften
Graz, AUSTRIA
gregorio.molina-cuberos@oeaw.ac.at
http://www.iaa.es/~gregorio


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