Un accidente afortunado: el motor de Juno no encendió y eso mejoró su exploración de Júpiter

Para ser algo que debía realizarse y descartarse hace tres años, la nave espacial Juno de la NASA tiene una apretada agenda durante su exploración de Júpiter y sus grandes lunas.

La nave entró en órbita alrededor de Júpiter el 4 de julio de 2016 y ha sobrevivido al bombardeo de la intensa radiación en el mayor de los planetas del sistema solar. Ahora está por terminar su misión principal, pero la NASA le concedió una prórroga de cuatro años y 42 órbitas más. La semana pasada pasó por Ganímedes, la mayor luna de Júpiter.

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“Básicamente, hemos diseñado y construido un tanque blindado”, dijo Scott J. Bolton, del Southwest Research Institute de San Antonio, que es el investigador principal de la misión. “Y ha funcionado”.

Júpiter es esencialmente una gran bola de hidrógeno, pero ha resultado ser una bola bastante complicada. Los descubrimientos de la misión incluyen relámpagos más arriba de lo que se creía posible, anillos de tormentas estables en los polos norte y sur, y vientos que se extienden tan profundamente en el interior que podrían empujar los campos magnéticos del planeta.

“Creo que esto ha sido una revelación”, dijo David J. Stevenson, profesor de ciencias planetarias del Instituto Tecnológico de California y uno de los investigadores de la misión.

La trayectoria altamente elíptica de Juno, inclinada en un ángulo de casi 90 grados con respecto a las órbitas de las lunas de Júpiter, pasa por encima de los polos norte y sur del planeta. En cada órbita, Juno se lanza en picado, y alcanza una velocidad máxima de 209.000 kilómetros por hora en cuanto pasa a unos pocos miles de kilómetros de las nubes de Júpiter.

Un problema inicial con el sistema de propulsión hizo que los gestores de la misión renunciaran a la idea de encender un motor que habría acortado la órbita de 53 días a 14 días. Los científicos tuvieron que ser más pacientes, pero eso se ha convertido en una bendición.

En el calendario original, Juno habría completado su trabajo a principios de 2018. Con las trayectorias más lánguidas de la nave, los investigadores podrán observar cambios en Júpiter y sus alrededores que podrían haberse perdido si la misión hubiera terminado antes.

Las órbitas adicionales de la misión ampliada también permitirán seguir con la investigación de los misterios que Juno ha revelado, como los anillos de tormentas en los polos norte y sur: ocho tormentas alrededor del polo norte y cinco alrededor del polo sur.

En un momento dado, parecía que una sexta tormenta iba a entrar en el grupo del polo sur, pero luego fue apartada.

“Es como si hubiera cinco acosadores en el patio del recreo, ¿no?”, dijo Candice J. Hansen-Koharcheck, científica del Instituto de Ciencias Planetarias de Tucson, Arizona, responsable del funcionamiento de la cámara principal de la nave espacial, la JunoCam. “Y te dijeran: ‘No, no puedes unirte a nuestro juego’”.

¿Por qué las tormentas, que duran años y tienen unos 4000 kilómetros de diámetro, parecen ser constantes en número?

Dos tormentas cabrían fácilmente en una región polar sin perturbarse mutuamente, dijo Yohai Kaspi, profesor de ciencias terrestres y planetarias del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel y coinvestigador de la misión. “Pero si hubiera cien, estarían demasiado cerca y no serían estables”, dijo. “Hay un número mágico que puede hacer que encajen”.

Los patrones atmosféricos de la mitad superior de Júpiter difieren de los de la mitad inferior. “Probamos un poco con las diferentes dinámicas del norte y del sur”, dijo, para entender por qué los dos polos tienen diferente número de tormentas.

En los próximos años, los científicos podrán observar más de cerca las ocho tormentas de la parte superior de Júpiter. La inmensa gravedad de Júpiter está tirando de la órbita de Juno, de modo que las aproximaciones más cercanas de la nave —lo que los científicos llaman perijoves— ya no se producen sobre el ecuador, sino que están migrando hacia el norte. Al final de la misión ampliada, el perijove de la órbita se producirá a una latitud equivalente a la de San Petersburgo, Rusia, en la Tierra.

Esas órbitas también permitirán observar más de cerca los desconcertantes relámpagos en lo alto de la atmósfera.

Las coloridas y arremolinadas franjas de Júpiter solo son las cimas de las nubes más altas, que están formadas por cristales de amoniaco congelado recubiertos de hollín. Pero las nubes de agua de Júpiter —donde parecían originarse los rayos observados por anteriores naves espaciales— se encuentran a una profundidad de entre 48 y 64 kilómetros por encima de las cimas de las nubes. Dentro de las nubes de agua, los relámpagos se producen probablemente como en las tormentas de la Tierra, alimentados por la colisión de gotas de agua con cristales de hielo que acumulan cargas eléctricas.

Sin embargo, los tenues destellos detectados por Juno se produjeron en la parte superior de la atmósfera donde las temperaturas, de unos 87 grados Celsius bajo cero, son demasiado frías para que el agua se mantenga en estado líquido.

Cuando vio por primera vez los destellos, la reacción de Heidi N. Becker, científica del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en California que dirige la investigación de vigilancia de la radiación de Juno, fue: “Oh, oh, ¿qué pasa?”.

La clave para desentrañar este misterio era el amoniaco de la atmósfera, que actuaba como anticongelante.

“Júpiter tiene tormentas increíblemente violentas que pueden arrojar partículas de hielo de agua desde abajo a 160, 320 kilómetros por hora y llegar a estas altitudes muy elevadas”, dijo Becker.

En las alturas, los cristales de hielo de agua se mezclan con los vapores de amoniaco y se funden. Las gotas de agua y amoniaco chocan entonces con otros cristales de hielo lanzados desde abajo, acumulando carga eléctrica para generar un rayo.

Paradójicamente, el amoniaco también es la clave para explicar por qué hay tan poco amoniaco en las mismas franjas de la atmósfera donde se producen los rayos. Los científicos esperaban que bajo las nubes de hielo de amoniaco, los agitados vientos de Júpiter mezclaran el gas de amoniaco uniformemente en toda la atmósfera.

“Pero esto no es lo que está ocurriendo”, dijo Tristan Guillot, director de investigación en el Observatorio de la Costa Azul en Francia y coinvestigador en la misión. “Tenemos regiones hasta 200 kilómetros por debajo o quizás más, que contienen mucho menos amoniaco que otras regiones”.

Eso parece estar causado por las lluvias de mushballs, conglomeraciones viscosas y pegajosas del tamaño de pelotas de béisbol.

Los científicos se dieron cuenta de que las gotas de agua con amoniaco no permanecen como gotas pequeñas. En cambio, siguen creciendo hasta que son demasiado pesadas para permanecer suspendidas en el aire. “Como las grandes piedras de granizo de la Tierra”, dijo Stevenson.

Los científicos creen que las mushballs transportan gran parte del amoniaco a las zonas más profundas de la atmósfera de Júpiter.

La misión ha permitido profundizar en el conocimiento de la Gran Mancha Roja, al mostrar que la icónica tormenta gigante, que ha persistido durante siglos, se extiende más de 320 kilómetros de profundidad en la atmósfera de Júpiter, y ha llevado al descubrimiento de una nueva región que los científicos llaman la Gran Mancha Azul.

En realidad no es azul; el nombre es una reliquia del esquema de colores usado en la cartografía del campo magnético de Júpiter. De hecho, las fotografías no muestran ningún indicio visible de la Gran Mancha Azul. La región azul oscuro en el mapa magnético solo indica una confluencia de líneas de campo magnético invisibles que entran en Júpiter en ese punto, casi un segundo polo sur que sobresale cerca del ecuador.

Kimberly M. Moore, investigadora posdoctoral en Caltech, comparó las mediciones magnéticas de Juno con las observaciones de naves espaciales anteriores para ver cómo han cambiado los campos magnéticos de la Gran Mancha Azul a lo largo de las décadas.

Parece que el centro de la Gran Mancha Azul está siendo impulsado hacia el oeste por un chorro de vientos, mientras que los vientos del este están cortando las secciones superior e inferior de la mancha en la dirección opuesta.

Esto sugiere que los vientos de Júpiter se extienden muy por debajo de las cimas de las nubes, hasta regiones donde las presiones y temperaturas son lo suficientemente altas como para convertir el hidrógeno en un conductor eléctrico. Las corrientes eléctricas generan campos magnéticos.

La fuerza de los campos magnéticos dentro de la Gran Mancha Azul está cambiando hasta en uno por ciento, cada año, creciendo más fuerte en algunos lugares, y debilitándose en otros. Al final de la misión ampliada, en 2025, Moore dispondrá de casi una década de datos para probar su hipótesis, que prevé cambios de hasta el diez por ciento durante ese tiempo. “Eso es lo que predice nuestro modelo, y queremos probarlo”, dijo.

Es probable que los científicos también se encuentren con nuevos misterios. La Gran Mancha Azul está aproximadamente en la misma latitud que la Gran Mancha Roja. ¿Están los dos fenómenos relacionados o son distintos?

“El hecho de que viajen a diferentes velocidades sugiere que tal vez sea poco probable que estén relacionados”, dijo Moore. “Pero tal vez haya algún tipo de mecanismo causal. Al fin y al cabo, se trata de un solo planeta fluido”.

Durante la misión ampliada, Juno también pasará por tres de las grandes lunas de Júpiter.

La semana pasada, Juno proporcionó a los científicos el primer acercamiento en más de 20 años a Ganímedes, la mayor de las lunas de Júpiter. Con más de 5100 kilómetros de ancho, Ganímedes es más grande y masiva que el planeta Mercurio, y es la única luna conocida que genera su propio campo magnético.

Hansen-Koharcheck comparará las imágenes de Ganímedes tomadas por Juno con otras más antiguas. Algunas partes de la superficie están marcadas por surcos que suelen verse en las lunas heladas. Aunque todavía hay un océano de agua líquida bajo la corteza helada de la luna, se cree que el hielo tiene unos 100 kilómetros de espesor, y lo más probable es que los surcos de Ganímedes se formaran hace unos cuantos miles de millones de años, cuando la superficie era más cálida y flexible, dijo Hansen-Koharcheck.

“Es muy poco probable que el terreno de los surcos esté en comunicación con ese manto de agua”, dijo. “Sin embargo, si lo encontrásemos, también estaría saltando y gritando”.

Los campos magnéticos que rodean a Ganímedes podrían contar una historia más fascinante. En su interior, es de suponer que el hierro fundido sigue fluyendo para generar una burbuja de campos magnéticos llamada magnetosfera, similar a la que protege a la Tierra del viento de partículas cargadas procedentes del sol.

“Con este sobrevuelo hemos tenido una excelente oportunidad de atravesarla”, dijo Frances Bagenal, profesora de ciencias astrofísicas y planetarias de la Universidad de Colorado, Boulder, y coinvestigadora de la misión.

Las observaciones de los campos de Ganímedes y de cómo se entrelazan con los de Júpiter ayudarán a esclarecer cómo se forma una fina atmósfera de partículas cargadas alrededor de la luna, cómo las partículas cargadas generan auroras brillantes y cómo algunas de las partículas cargadas viajan directamente entre Júpiter y Ganímedes. Las mediciones infrarrojas mostrarán las variaciones en la concentración de moléculas de agua, que se desprenden del hielo por el bombardeo de partículas.

Juno no volverá a pasar tan cerca de Ganímedes, pero sí hará sobrevuelos de otras dos lunas grandes y muy diferentes.

Una de esas lunas, Io, es un mundo infernal que es el más activo volcánicamente del sistema solar. El instrumento infrarrojo de Juno medirá sus puntos calientes con más precisión que las naves espaciales previas.

“Hay grietas en la superficie y hay muchos ríos de lava, algo así”, dijo Alessandro Mura, del Instituto Nacional de Astrofísica de Roma, que dirige el instrumento de cartografía infrarroja de Juno.

La otra luna que visitará, Europa, está cubierta de hielo con un profundo océano debajo. Europa se considera uno de los lugares más prometedores para la búsqueda de vida en otros lugares del sistema solar.

En Europa, la JunoCam apuntará a la línea divisoria entre el día y la noche. En los últimos años, las observaciones del telescopio espacial Hubble han indicado la existencia de erupciones de vapor de agua procedentes del océano que atraviesan la superficie helada. La esperanza es que la JunoCam pueda captar por casualidad un penacho de agua, retroiluminado por la luz del sol.

“Es una forma muy, muy buena de buscar erupciones”, dijo Hansen-Koharcheck. La misma técnica detectó una erupción volcánica en Io.

La capa de hielo de Europa es más fina que la de Ganímedes, por lo que las probabilidades de encontrar un punto liso en la superficie en el que el agua o el vapor congelado hayan entrado en erupción recientemente son mayores. “Buscaríamos depósitos superficiales que pudieran parecer frescos o particularmente brillantes”, dijo Hansen-Koharcheck.

Todo esto no habría sucedido si no fuera por ese fallo de propulsión. Si la nave hubiera orbitado a Júpiter cada 14 días en lugar de 53, Juno no habría podido realizar los sobrevuelos de las lunas.

“Creo que fue suerte”, dijo Bolton. (I)

Kenneth Chang ha estado en el Times desde 2000 y ha escrito sobre física, geología, química y los planetas. Antes de escribir sobre ciencias, fue un estudiante de posgrado cuya investigación involucraba el control del caos. @kchangnyt