11.1: Explorando los Planetas Exteriores
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Proporcionar una visión general de la composición de los planetas gigantes
- Crónica de la exploración robótica del sistema solar exterior
- Resumir las misiones enviadas para orbitar a los gigantes gaseosos
Los planetas gigantes albergan la mayor parte de la masa en nuestro sistema planetario. Júpiter por sí solo supera la masa de todos los demás planetas combinados (Figura\(\PageIndex{1}\)). El material disponible para construir estos planetas se puede dividir en tres clases por lo que están hechos: “gases”, “hielos” y “rocas” (ver Tabla\(\PageIndex{1}\)). Los “gases” son principalmente hidrógeno y helio, los elementos más abundantes del universo. La forma en que se usa aquí, el término “ices” se refiere solo a la composición y no a si una sustancia se encuentra realmente en estado sólido. “Ices” significa compuestos que se forman a partir de los siguientes elementos más abundantes: oxígeno, carbono y nitrógeno. Los hielos comunes son agua, metano y amoníaco, pero los hielos también pueden incluir monóxido de carbono, dióxido de carbono y otros. Las “rocas” son incluso menos abundantes que los hielos, e incluyen todo lo demás: magnesio, silicio, hierro, etc.
| Tipo de Material | Nombre | % aproximado (por Masa) |
|---|---|---|
| Gas | Hidrógeno (H 2) | 75 |
| Gas | Helio (He) | 24 |
| Hielo | Agua (H 2 O) | 0.6 |
| Hielo | Metano (CH 4) | 0.4 |
| Hielo | Amoníaco (NH 3) | 0.1 |
| Rock | Magnesio (Mg), hierro (Fe), silicio (Si) | 0.3 |
En el sistema solar exterior, los gases dominan los dos planetas más grandes, Júpiter y Saturno, de ahí su apodo de “gigantes gaseosos”. Urano y Neptuno se llaman “gigantes de hielo” porque sus interiores contienen mucho más del componente “hielo” que sus primos más grandes. La química de las cuatro atmósferas gigantes del planeta está dominada por el hidrógeno. Este hidrógeno provocó que la química del sistema solar exterior se volviera reductora, lo que significa que otros elementos tienden a combinarse primero con el hidrógeno. En el sistema solar temprano, la mayor parte del oxígeno se combinaba con hidrógeno para hacer H 2 O y por lo tanto no estaba disponible para formar los tipos de compuestos oxidados con otros elementos que nos son más familiares en el sistema solar interno (como el CO 2). Como resultado, los compuestos detectados en la atmósfera de los planetas gigantes son en su mayoría gases a base de hidrógeno como metano (CH 4) y amoníaco (NH 3), o hidrocarburos más complejos (combinaciones de hidrógeno y carbono) como etano (C 2 H 6) y acetileno (C 2 H 2).
Exploración del Sistema Solar Exterior Hasta el momento
Ocho naves espaciales, siete de Estados Unidos y una de Europa, han penetrado más allá del cinturón de asteroides en el reino de los gigantes. En la tabla\(\PageIndex{2}\) se resumen las misiones de naves espaciales al sistema solar exterior.
| Planeta | Nave espacial 1 | Fecha de Encuentro | Tipo |
|---|---|---|---|
| Júpiter | Pioneer 10 | Diciembre 1973 | Flyby |
| Pioneer 11 | Diciembre 1974 | Flyby | |
| Voyager | Marzo 1979 | Flyby | |
| Voyager 2 | Julio 1979 | Flyby | |
| Ulises | Febrero 1992 | Sobrevuelo durante la asistencia por gravedad | |
| Galileo | Diciembre 1995 | Orbitador y sonda | |
| Cassini | Diciembre 2002 | Flyby | |
| Nuevos Horizontes | Febrero 2007 | Sobrevuelo durante la asistencia por gravedad | |
| Juno | Julio 2016 | Orbitador | |
| Saturno | Pioneer 11 | Septiembre 1979 | Flyby |
| Voyager | Noviembre 1980 | Flyby | |
| Voyager 2 | Agosto 1981 | Flyby | |
| Cassini | Julio de 2004 (inyección orbitaria Saturno 2000) | Orbitador | |
| Urano | Voyager 2 | Enero 1986 | Flyby |
| Neptuno | Voyager 2 | Agosto 1989 | Flyby |
Los retos de explorar tan lejos de la Tierra son considerables. Los tiempos de vuelo a los planetas gigantes se miden en años a décadas, en lugar de los meses requeridos para llegar a Venus o Marte. Incluso a la velocidad de la luz, los mensajes tardan horas en pasar entre la Tierra y la nave espacial. Si se desarrolla un problema cerca de Saturno, por ejemplo, una espera de horas para que la alarma llegue a la Tierra y que las instrucciones sean devueltas a la nave espacial podría significar desastre. Por lo tanto, las naves espaciales al sistema solar exterior deben ser altamente confiables y capaces de un mayor grado de independencia y autonomía. Las misiones del sistema solar exterior también deben llevar sus propias fuentes de energía ya que el Sol está demasiado lejos para proporcionar suficiente energía. Se requieren calentadores para mantener los instrumentos a temperaturas de funcionamiento adecuadas, y las naves espaciales deben tener transmisores de radio lo suficientemente potentes como para enviar sus datos a receptores en la Tierra distante.
Las primeras naves espaciales que investigaron las regiones más allá de Marte fueron los Pioneros 10 y 11 de la NASA, lanzados en 1972 y 1973 como pioneros a Júpiter. Uno de sus principales objetivos era simplemente determinar si una nave espacial realmente podía navegar por el cinturón de asteroides que se encuentra más allá de Marte sin ser destruida por colisiones con polvo de asteroides. Otro objetivo fue medir los peligros de radiación en la magnetosfera (o zona de influencia magnética) de Júpiter. Ambas naves espaciales pasaron por el cinturón de asteroides sin incidentes, pero las partículas energéticas en el campo magnético de Júpiter casi aniquilaron su electrónica, proporcionando la información necesaria para el diseño seguro de misiones posteriores.
Pioneer 10 sobrevoló a Júpiter en 1973, tras lo cual aceleró hacia afuera hacia los límites del sistema solar. Pioneer 11 emprendió un programa más ambicioso, utilizando la gravedad de Júpiter para apuntar a Saturno, al que alcanzó en 1979. La nave espacial gemela Voyager lanzó la siguiente ola de exploración del planeta exterior en 1977. Los Voyagers 1 y 2 llevaban cada uno 11 instrumentos científicos, entre ellos cámaras y espectrómetros, así como dispositivos para medir las características de las magnetosferas planetarias. Como siguieron saliendo después de sus encuentros planetarios, estas son ahora las naves espaciales más distantes jamás lanzadas por la humanidad.
La Voyager 1 llegó a Júpiter en 1979 y utilizó una asistencia de gravedad de ese planeta para llevarlo a Saturno en 1980. La Voyager 2 llegó a Júpiter cuatro meses después, pero luego siguió un camino diferente para visitar todos los planetas exteriores, llegando a Saturno en 1981, Urano en 1986 y Neptuno en 1989. Esta trayectoria fue posible gracias a la alineación aproximada de los cuatro planetas gigantes del mismo lado del Sol. Aproximadamente una vez cada 175 años, estos planetas se encuentran en tal posición, y permite que una sola nave espacial los visite a todos mediante el uso de sobrevuelo asistidos por gravedad para ajustar el rumbo de cada encuentro posterior; tal maniobra ha sido apodada “Gran Tour” por los astrónomos.
El Laboratorio de Propulsión a Chorro tiene un bonito video llamado Voyager: The Grand Tour que describe la misión Voyager y lo que encontró.
INGENIERÍA Y CIENCIA ESPACIAL: ENSEÑAR NUEVOS TRUCOS A UNA VIEJA NAVE ESPACIAL
Para cuando la Voyager 2 llegó a Neptuno en 1989, 12 años después de su lanzamiento, la nave espacial comenzaba a mostrar signos de vejez. El brazo en el que se ubicaban la cámara y otros instrumentos era “artrítico”: ya no podía moverse fácilmente en todas las direcciones. El sistema de comunicaciones tenía “problemas de audición”: parte de su receptor de radio había dejado de funcionar. Los “cerebros” tuvieron una “pérdida de memoria” significativa: parte de la memoria de la computadora a bordo había fallado. Y toda la nave espacial comenzaba a quedarse sin energía: sus generadores habían comenzado a mostrar serios signos de desgaste.
Para hacer las cosas aún más desafiantes, la misión de la Voyager en Neptuno fue en muchos sentidos la más difícil de los cuatro sobrevuelos. Por ejemplo, dado que la luz solar en Neptuno es 900 veces más débil que en la Tierra, la cámara de a bordo tuvo que tomar exposiciones mucho más largas en este ambiente hambriento de luz. Esto era un requisito no trivial, dado que la nave espacial se precipitaba por Neptuno a diez veces la velocidad de una bala de rifle.
La solución fue hacer girar la cámara hacia atrás exactamente a la velocidad que compensaría el movimiento hacia adelante de la nave espacial. Los ingenieros tuvieron que preprogramar la computadora de la nave para ejecutar una serie increíblemente compleja de maniobras para cada imagen. Las bellas imágenes Voyager de Neptuno son un testimonio del ingenio de los ingenieros de naves espaciales.
La gran distancia de la nave de sus controladores en la Tierra era otro desafío más. La Voyager 2 recibió instrucciones y devolvió sus datos a través del transmisor de radio a bordo. La distancia de la Tierra a Neptuno es de unos 4.8 mil millones de kilómetros. A lo largo de esta vasta distancia, la potencia que nos llegó desde la Voyager 2 en Neptuno era de aproximadamente 10-16 vatios, o 20 mil millones de veces menos potencia de la que se necesita para operar un reloj digital. Treinta y ocho antenas diferentes en cuatro continentes fueron utilizadas por la NASA para recoger las débiles señales de la nave espacial y decodificar la preciosa información sobre Neptuno que contenían.
Entra en los Orbitadores: Galileo y Cassini, y Juno
Las misiones Pioneer y Voyager eran sobrevuelos de los planetas gigantes: cada una de ellas solo producía miradas rápidas antes de que la nave espacial acelerara hacia adelante. Para estudios más detallados de estos mundos, requerimos naves espaciales que puedan entrar en órbita alrededor de un planeta. Para Júpiter y Saturno, estos orbitadores fueron las naves Galileo y Cassini, respectivamente. Hasta la fecha, no se han iniciado misiones orbitadoras para Urano y Neptuno, aunque los científicos planetarios han expresado un gran interés.
La nave Galileo fue lanzada hacia Júpiter en 1989 y llegó en 1995. Galileo inició sus investigaciones desplegando una sonda de entrada en Júpiter, para los primeros estudios directos de las capas atmosféricas externas del planeta.
La sonda se sumergió en un ángulo poco profundo en la atmósfera de Júpiter, viajando a una velocidad de 50 kilómetros por segundo, ¡eso es lo suficientemente rápido como para volar de Nueva York a San Francisco en 100 segundos! Esta fue la velocidad más alta a la que hasta ahora cualquier sonda ha entrado en la atmósfera de un planeta, y puso grandes exigencias al escudo térmico que lo protegía. La alta velocidad de entrada fue resultado de la aceleración por la fuerte atracción gravitacional de Júpiter.
La fricción atmosférica ralentizó la sonda en 2 minutos, produciendo temperaturas en la parte frontal de su escudo térmico tan altas como 15,000 °C. A medida que la velocidad de la sonda bajó a 2500 kilómetros por hora, los restos del escudo térmico brillante fueron arrojados y se desplegó un paracaídas para bajar la sonda instrumentada nave espacial más suavemente en la atmósfera (Figura\(\PageIndex{3}\)). Los datos de los instrumentos de sonda se transmitieron a la Tierra a través de la nave espacial principal Galileo.
La sonda continuó operando durante una hora, descendiendo 200 kilómetros a la atmósfera. Pocos minutos después se fundió el paracaídas de poliéster, y a las pocas horas la estructura principal de aluminio y titanio de la sonda se vaporizó para formar parte del propio Júpiter. Aproximadamente 2 horas después de recibir los datos finales de la sonda, la nave espacial principal disparó sus retrocohetes para que pudiera ser capturada en órbita alrededor del planeta, donde sus objetivos principales eran estudiar las lunas grandes y a menudo desconcertantes de Júpiter.
La misión Cassini a Saturno (Figura\(\PageIndex{2}\)), una empresa cooperativa entre la NASA y la Agencia Espacial Europea, fue similar a Galileo en su enfoque doble. Lanzado en 1997, Cassini llegó en 2004 y entró en órbita alrededor de Saturno, iniciando extensos estudios de sus anillos y lunas, así como del propio planeta. En enero de 2005, Cassini desplegó una sonda de entrada a la atmósfera de la gran luna de Saturno, Titán, donde aterrizó con éxito en la superficie. (Discutiremos la sonda y lo que encontró en el capítulo sobre Anillos, Lunas y Plutón.)
Las misiones Voyager y Galileo a Júpiter fueron diseñadas principalmente para estudiar las lunas y la atmósfera del planeta. La siguiente misión de la NASA, un orbitador llamado Juno, llegó a Júpiter en julio de 2016. Para cumplir con sus objetivos de estudiar la magnetosfera joviana, tiene una órbita muy alargada (excéntrica) de 55 días, que la lleva desde 4 mil kilómetros por encima de la cima de la nube hasta 76 mil kilómetros. La órbita lleva la nave sobre los polos de Júpiter, dándonos notables primeros planos de las regiones polares (naves espaciales anteriores vieron el planeta desde latitudes más bajas).
Juno fue diseñado originalmente sin cámara, pero afortunadamente los científicos rectificaron esta omisión, agregando una simple cámara a color de aspecto descendente para usar durante los pases cercanos de Júpiter. Reconociendo el valor de este tipo de imágenes, tanto científicas como artísticas, se decidió postear las imágenes en bruto y alentar a los “científicos ciudadanos” a procesarlas. El producto ha sido muchas vistas dramáticas y de colores brillantes de Júpiter, como Figura\(\PageIndex{2}\).
Conceptos clave y resumen
El sistema solar exterior contiene los cuatro planetas gigantes: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno tienen composiciones generales similares a la del Sol. Estos planetas han sido explorados por las naves espaciales Pioneer, Voyager, Galileo y Cassini. La Voyager 2, quizás la más exitosa de todas las misiones de ciencia espacial, exploró Júpiter (1979), Saturno (1981), Urano (1986) y Neptuno (1989) —una gran gira por los planetas gigantes— y estos sobrevuelos han sido las únicas exploraciones hasta la fecha de los gigantes de hielo Urano y Neptuno. Las misiones Galileo y Cassini eran orbitadores de larga duración, y cada una también desplegó una sonda de entrada, una en Júpiter y otra en la luna Titán de Saturno.
Notas al pie
1 Tanto la nave espacial Ulises como la New Horizons (diseñadas para estudiar el Sol y Plutón, respectivamente) sobrevolaron a Júpiter para un impulso de gravedad (ganando energía al “robar” un poco de la rotación del planeta gigante).