Oh, ¡Pioneers! Las motas en los ojos de los dioses (Parte 1)

Marzo de 2012 marca el 40 aniversario del lanzamiento de uno de los más extraordinarios vehículos espaciales jamás construidos – Pioneer 10 – la primera sonda del espacio profundo. La historia del Voyager es bien conocida, pero la del Pioneer no tanto.

Representación Artística de la Pioneer 10 en su viaje en el Espacio. Crédito: NASA

Las sondas Pioneer fueron creaciones del Ames Research Center en Moffett Field en el norte de California. Se incorporaron a la NASA con el resto de las instalaciones NACA (National Advisory Committee for Aeronautics: Comité Consejero Nacional para la Aeronáutica) en 1958, ejecutado por un individuo, Smith DeFrance. Un piloto formado en la NACA, su carrera de piloto aviador finalizó después de que perdió un ojo durante un vuelo de prueba y le prometió a su esposa que nunca se subiría a bordo de un avión otra vez.

Smith DeFrance fue un administrador conservador, pero él sabía que algo era bueno cuando lo veía. A principios de 1962 realizó un viaje en tren de ida y vuelta de cuatro días a Washington para persuadir a sus jefes en la NASA que Ames podría construir una de las primeras sondas interplanetarias no tripuladas – los Pioneers. El joven impetuoso que Smith DeFrance puso a cargo del programa fue Charlie Hall.

Todas las sondas Pioneer eran de construcción relativamente simple, lo que refleja la creencia de Hall de que la simplicidad es preferible a la complejidad en el diseño de las máquinas para el espacio profundo. Esta filosofía explica el por qué fue Ames quien lanzó las dos primeras sondas verdaderas del espacio profundo hacia Júpiter y más allá – Pioneers 10 y 11.

Un buen ejemplo del énfasis en la simplicidad era el equipo para la gestión de imágenes que llevaban los Pioneers 10 y 11 para adquirir por primera vez, fotografías cercanas de Júpiter. Diseñados por el científico espacial Tom Gehrels de la University of Arizona, no eran cámaras como tales – y en efecto, fueron incluidos como parte del paquete científico a bordo no para tomar fotografías de la manera convencional, sino para obtener datos sobre el color y la intensidad del mismo. Los telescopios fueron equipados con sensores de escaneo de colores rojo y azul que podían obtener tiras de imágenes al girar la sonda. Estos datos fueron digitalizados y enviados a la Tierra donde las tiras se usaron para construir en imágenes a todo color en el control de la misión.

La razón por la cual se utilizó el IPP (Imaging Photopolarimeter) en lugar de una cámara más convencional consistió en mantener una cantidad de masa pequeña (la masa total de la sonda era de 570 libras). Es justo decir que la capacidad de la IPP para producir ‘fotografías’ era, de hecho, secundaria a sus funciones científicas, pero son las fotografías – la primera que retrató como nunca la vastedad del espacio del espacio profundo – que ejercieron una poderosa influencia sobre la imaginación del público en ese momento. El hijo de Tom Gehrels, Neil Gehrels, un notable científico espacial por derecho propio, mencionó que “El instrumental del Pioneer… proporcionó información única sobre los aerosoles y las moléculas… en (las) atmósferas de Júpiter y Saturno. (Sin embargo) es más conocido por haber proporcionado las primeras imágenes in situ de los planetas gigantes”.

La Pioneer 10 en las etapas finales de su construcción

La Pioneer 10 en las etapas finales de su construcción. Crédito: NASA Ames Research Center.

El Pioneer 10 también llevaba a cargo otros diez experimentos, para examinar fenómenos que van desde la intensidad de los cinturones de radiación de Júpiter y su campo magnético a los detectores de meteoritos (Para medir la densidad de objetos en el Cinturón de Asteroides) hasta una radiómetro infrarrojo para medir la temperatura de las nubes superiores de Júpiter.

John Zarnecki, profesor de ciencia espacial en la Open University en Milton Keynes, dice: “Antes de la Pioneer 10, no sabíamos si la exploración espacial del Sistema Solar Exterior era posible – algunos dijeron que la radiación, la distancia, la necesidad de atravesar el Cinturón de Asteroides y otros peligros hacían imposible hacerlo. La Pioneer 10 le demostró a los detractores que estaban muy equivocados”.

Energizar todo este equipo significó hacer innovaciones al diseño de la sonda misma – lo que se conoce como el ‘autobús’. Debido a que se va alejando del Sol, no se podían utilizar paneles solares, pero debería tener una fuente de energía. Además, su orientación tendría que ser lo suficientemente estable como para transmitir con precisión los datos obtenidos de Júpiter y el espacio interplanetario a la Tierra. El primer problema se resolvió proporcionando a la sonda dos baterías SNAP-2 con plutonio 238, las cuales fueron montadas en los brazos para evitar que su radioactividad interfiriera con los instrumentos.

La sonda también contó con dos radiotransmisores que podían transmitir la información con precisión a la Tierra debido a que la postura de la nave se mantuvo pasiva al girar en su eje de línea de vuelo. Sin embargo, la rotación de la sonda impuso una limitación en el Imaging Photopolarimeter – solo podía ensamblar una tira de imágenes a la vez. Este movimiento habría hecho inútil el uso de una cámara convencional.

A la mitad de febrero de 1972, se trasladó a la Pioneer 10 al portal en el complejo de lanzamiento 36-A en Cape Kennedy Air Force Station. Justo antes del lanzamiento, los Generadores gemelos Termoeléctricos de Radioisótopos (RTG – Radioisotope Thermoelectric Generator) se instalaron en los brazos gemelos que se despliegan cuando la nave se encuentra a salvo en el espacio profundo. Los RTGs eran tan atemorizantes como indispensables para el éxito de la misión.

Trayectoría de la Pioneer 10 en el Sistema Solar. Crédito: NASA

Diseñados para mantener la nave a plena potencia durante al menos cincuenta años, solo podían ser observados con seguridad a través de ventanas delgadas con plomo en las instalaciones de aislamiento, y aún con su cubierta de plomo, los pellets de plutonio-238 en el interior, se hicieron demasiado calientes al tacto. Al menos un ingeniero del equipo de la Pioneer 10 declinó estar presente cuando se realizara la instalación de los RTG en virtud de que aún quería tener familia.

Otra de las muchas ironías que rodearon posteriormente a la sonda espacial Pioneer fue que a pesar de que las fuentes de energía altamente radioactivas de la NASA podrían haber estallado en el aire, la mayoría de los estadounidenses estaban mucho más preocupados acerca de los dibujos que cada sonda portada. En ambas sondas, Pioneer 10 y 11, el cosmólogo y divulgador científico Carl Sagan, había dispuesto que se agregara una tableta de aluminio chapada en oro como una tarjeta de presentación en caso de que alguna de las sondas tuviera un encuentro con una civilización alienígena.

Eric Burgess, un escritor del Christian Science Monitor fue quien inspiro a Sagan para proponer esto a la NASA. Burgess estaba preocupado de que con todo el énfasis en los aspectos científicos de las misiones Pioneer 10 y 11, la gente pudiera perder el contacto con la maravilla esencial de enviar un vehículo espacial más allá del Cinturón de Asteroides por primera vez. Fue un apunte excelente y allanó el camino para los famosos discos de oro llevados a bordo de la sonda espacial Voyager.

Two RTGs are mounted at the end of each of two extended booms to reduce nuclear radiation effects on the sensitive scientific instruments

Los dos RTGs montados en cada uno de los dos brazos extendidos para reducir los efectos de la radiación en la sensibilidad de los instrumentos científicos. Crédito: NASA

Cada una de las placas del Pioneer contenía una referencia visual de la posición de la Tierra  en el espacio – en relación a catorce pulsares locales – más una representación del momento de transición hiperfina del átomo de hidrógeno para presentar a los alienígenas la forma en la que medimos el tiempo. Ambas imágenes ocupan un lugar destacado en los discos de oro de la Voyager también. Pero más problemático para la delicada sensibilidad de los Estados Unidos de América de principios de la década de 1970 fueron las imágenes de dos seres humanos desnudos, uno masculino y no femenino. Ellos fueron dibujados por la entonces esposa de Carl Sagan, Linda Salzman Sagan, y aprobado por John Naugle, magnate de la NASA.

Una gran cantidad de ciudadanos, pertenecientes a la clase media estadounidense se indignó. Cuando se mostraron las placas en la prensa escrita, el enfoque usual era pasar el aerógrafo por los genitales de ambos o cubrirlos con cinta adhesiva. Andrew Khinoy del Philadelphia Inquirer dijo en pocas palabras: “Lo que estamos dispuestos a aceptar en el espacio exterior, no estamos dispuestos a aceptarlo en Philadelphia, al menos, no en las primeras planas de los periódicos”.

Irónicamente, en ficción al menos, la Pioneer 10 establece contacto con una civilización extraterrestre. En “Star Trek V The Final Frontier” es utilizada como práctica de tiro al blanco por un Comandante Klingon Bird of Prey, Capitan Klaa mientras alejaba la monotonía de patrullar el aburrido espacio profundo.

Tal vez, ¡no es lo que Sagan tenía en mente!

Un viaje pionero

A las 08:49 pm hora del este en el jueves 2 de marzo de 1972, los poderosos motores de la primera etapa del cohete propulsor Atlas del Pioneer 10 iluminaron el cielo nocturno mientras impulsaban a la pequeña sonda espacial en dirección a Júpiter.

Menos de 18 minutos más tarde, el Pioneer 10 se desplazó más rápido que cualquier otro objeto construido por el hombre, viajando a 32000 mph (51,500 Km/h). Solo once horas después, el Pioneer 10 cruzó la órbita de la Luna y se fue velozmente hacia el cinturón de asteroides – el primero de los abundantes y grandes situaciones desconocidas que la sonda habría de encontrar. Nadie sabía si la densidad de los escombros en la región rompería la nave o dañaría los instrumentos a bordo. En el 15 de febrero de 1973, tuvieron su respuesta: Ames declaró oficialmente que el Pionner 10 había cruzado el cinturón sin contratiempos. Entonces se desplazó para un encuentro con el ambiente hostil de Júpiter.

Aquí el problema sería la radiación, algo que al menos uno de los científicos del equipo Pioneer sabía que Júpiter proporcionaría por el cubo de carga. James Van Allen había descubierto el cinturón de radiación alrededor de la Tierra que hoy lleva su nombre – un resultado directo del vuelo del primer satélite estadounidense, el Explorer 1, lanzado durante el año internacional de la geofísica, 1958. Van Allen también fue el responsable del descubrimiento de las agitadas señales de radio emitidas por Júpiter, conocidas desde la invención de los radiotelescopios, dio evidencia de que la región alrededor de Júpiter tostaría con dosis de radiación tales que freiría a un humano en segundos. Con la Pioneer 10 acercándose a una velocidad inimaginable y con un retraso en la comunicación de varios minutos, los planificadores de la misión solo podían cruzar sus dedos y esperar que los instrumentos sobrevivieran.

La placa donde muestra a un hombre y a una mujer desnudos, instalada en la sonda Pioneer. Crédito: NASA

El periapsis – máximo acercamiento de la Pioneer 10 a Júpiter – se predijo para el lunes 3 de diciembre de 1973 a las 06:24 hora del pacífico. Para entonces, la enorme gravedad de Júpiter había acelerado al Pioneer 10 a 82,000 mph (casi 132,000 Km/h) y los niveles de radiación se habían elevado diez veces más de lo previsto. Todos sabían lo que esto significaba, el IPP fallaría primero, y luego los demás equipos, se apagarían gradualmente. Para el momento de la máxima aproximación a Júpiter, el Pioneer 10 estaría muerto.

Pero justo unos minutos antes del apagón previsto, los niveles de radiación comenzaron a decrecer. Van Allen descubrió la causa. A diferencia del campo magnético de la Tierra, que se extiende uniformemente de polo a polo, el de Júpiter es un anillo toroidal que se tambalea alrededor del planeta como un plato giratorio en una varilla. Una vez que al anillo se mueve del camino, se regresa a la región de baja radiación. Al Pioneer 10 le sucedió esto justo a tiempo para evitar el desastre. Sin embargo, el Pioneer 10 no salió ileso. Algunas de las imágenes preliminares de la Luna se perdieron debido a las fallas inducidas por la radiación. Pero a las 06:30 pm del 3 de diciembre, el Pioneer 10 estaba volando solo a 81,000 millas (Poco más de 130,000 Km) por encima de las cimas de las nubes arremolinadas superiores de la atmósfera de Júpiter – y seguía obteniendo imágenes. El fotopolarímetro de Gehrels continuó rodando y el primer encuentro de la humanidad con el planeta más grande de nuestro Sistema Solar se transmitió con seguridad a casa. Una de las imágenes más obsesionantes en el léxico de la exploración espacial es la vista que envió el Pioneer 10 cuando pasó Júpiter y se dirigió hacia lo más  profundo desconocido.

Había júbilo en Ames. Charlie Hall no pudo resistirse a apuntar que la humanidad había pasado de la primera vista de Galileo de las lunas de Júpiter a través de un telescopio a la visita real del planeta en tan solo doce generaciones. Era una reflexión seria sobre los extraordinarios progresos técnicos de la humanidad en el último medio milenio.

Para los estándares actuales, las imágenes que envió el Pioneer 10 no tienen mucho que mostrar. Eran granuladas y compuestas solo de dos colores – rojo y azul. Los colores adicionales que poseerían posteriormente en las publicaciones de la prensa se añadieron de forma manual mediante el desciframiento de la información del color digitalizado. Pero las imágenes representaron un momento crucial en la exploración espacial no tripulada. En las próximas misiones, así como el enorme apetito del público por las imágenes se hizo evidente para la NASA, las cámaras se convertirían en algo abrumadoramente importante. La exploración espacial, de la Pioneer 10 en adelante, tendría que encontrar el delicado equilibrio entre alcanzar avances científicos vanguardistas y el deseo del público de fotografías espectaculares de lugares exóticos. La NASA y otras agencias espaciales se convertirían en expertos rápidamente.

Lanzada el 2 de marzo de 1972, la Pioneer 10 fue la primer sonda en viajar a través del cinturón de asteroides y la primera sonda espacial en hacer observaciones directas y obtener imágenes cercanas de Júpiter. La Pioneer 10 se encuentra actualmenta a más de 7,500 millones de millas (Más de 12,000 millones de Km) de la Tierra. Crédito: NASA

Tan exitoso fue el sobrevuelo de la Pioneer 10 sobre Júpiter que el personal de Ames, normalmente conservador, se encontró pensando fuera de lo común. Si a la Pioneer 10 le había ido tan bien ¿Por qué no tomar una pequeña oportunidad con la Pioneer 11? Calcularon que un pequeño ajuste en la trayectoria orbital de la Pioneer 11, no solo la llevaría más allá de Júpiter, sino que la colocaría en curso de intercepción con la siguiente ‘gasolinera’ gravitatoria al lado del camino: Saturno.

Había buenas razones científicas para ir a Saturno. La Pioneer 10 casi había sucumbido a la radiación mortal en el gigantesco campo magnético de Júpiter, y Ames quería que la Pioneer 11 se acercara más al planeta. Así que, en lugar de arriesgarse exponiendo la frágil sonda a los niveles de radiación que casi con certeza freirían sus circuitos, decidieron modificar el sobrevuelo de tal manera que fuese casi verticalmente de polo a polo. Esto significa que el tránsito a través del campo de radiación de Júpiter sería más breve – aunque más violento – y también haría posible la trayectoria hacia Saturno. Esto era ambicioso, pero la oportunidad era demasiado atractiva para desecharla.

La Pioneer 11 ingresó al espacio joviano a principio de noviembre de 1973. A diferencia de su predecesora, volaría más allá de Júpiter en una órbita retrógrada – en sentido contrario a la rotación del planeta – los cual le permitiría obtener imágenes más detalladas con el IPP así como mejores mediciones del campo magnético de Júpiter con un instrumento renovado, diseñado por James Van Allen con su ingenio característico. La diferente órbita también permitiría a la Pioneer 11 examinar las regiones polares de Júpiter, donde los científicos de la misión esperaban que la atmósfera fuera más transparente que en el ecuador.

La instrumentación y el enfoque no eran las únicas cosas que el equipo en Ames hizo diferente. Sabiendo de su experiencia con la Pioneer 10 que la radiación podría interferir con el funcionamiento de los instrumentos, comenzaron a subir un flujo continuo de comandos de compensación vía la gigantesca antena de la Deep Space Tracking network de JPL (Jet Propulsion Labotarory – Red de Rastreo del espacio profundo). La táctica funcionó muy bien y la Pioneer 11 no sufrió daños en los datos tal como la Pioneer 10.

A las 09:00 pm tiempo del Pacífico, el 2 de diciembre de 1974, la Pioneer 11 arribó a su punto de máximo acercamiento con Júpiter, solo 26,000 millas (Casi 42,000 Km) por encima de las nubes superiores. Para el equipo en Ames se trataba de un par de ansiosas horas, debido a que esta vez el periapsis ocurriría en la parte superior del otro extremo de Júpiter, y cesaría la comunicación por radio temporalmente. La estación Canberra fue la primera en volver a adquirir la señal. Esta vez, el periodo de malfuncionamiento del instrumento había sido misericordiosamente breve. El segundo sobrevuelo de Júpiter había sido un éxito también. El oficial de la NASA, Robert Kramer dijo en una conferencia de prensa: “La Pioneer 11 sobrevoló las flameantes fauces del dragón y se quemó un poco, pero es una pequeña ave testaruda y ahora se dirige a Saturno”.

Vista de Júpiter desde la Pioneer 10. Crédito: NASA

Antes de los vuelos de las Pioneer 10 y 11, Júpiter había sido un libro cerrado. Poco se sabía además de que tenía lunas y un ambiente radioactivo. Si las sondas Pioneer enviaron un mensaje simple a la Tierra, este fue que Júpiter era mucho más complicado de lo que cualquiera se hubiera imaginado previamente. Por ejemplo, el planeta es prácticamente líquido en su totalidad. Su química es dominada por hidrógeno comprimido y helio, y por lo que cualquiera puede observar, carece de un núcleo sólido. Si existe un núcleo, es probable que consista de algo inusual – hay quienes han sugerido hidrógeno metálico, una sustancia que no se encuentra en la Tierra debido a las colosales presiones requeridas para su síntesis.

Las sondas Pioneer encontraron que la atmósfera de Júpiter es un ‘cóctel de bruja’ compuesto de amoniaco, metano y vapor de agua, agitado en un torbellino continuo que ‘grita’ eternamente a través de la faz del planeta. Una de las pocas características del planeta que habían sido observadas desde la Tierra – la gigantesca mancha roja que ‘observa malévolamente’ desde su región ecuatorial – resultó ser un fenómeno puramente astronómico, un huracán de hidrógeno y amoniaco más grande en diámetro que la Tierra y que ha estado presente desde hace siglos.

Las Pioneer descubrieron que Júpiter es un emisor neto de calor. Este calor interno, junto con la abundancia de hidrógeno y otros elementos en Júpiter, podrían ser responsables del núcleo metálico del planeta, el que a su vez crea el inmenso campo magnético toroidal que atrapa la radiación en las proximidades del planeta. Las misiones Pioneer también mostraron que las lunas de Júpiter juegan un papel importante en mantener el complejo campo magnético y el ambiente de radiación que rodea al planeta. Las lunas más grandes en particular, absorben una gran cantidad de radiación y dejan trazos de radiación reducida en la estela de sus órbitas.

La apuesta de Ames dio sus frutos. Pioneer 11 no solo sobrevivió a su encuentro con Júpiter, sino que se dirigió a través del espacio hacia Saturno. El viaje le tomaría casi cinco años, de los cuales pasó la mayor parte por encima del plano de la elíptica. El precio de la primera mirada de cerca a Saturno era un camino lento y de una larga espera.

Fuente: Astrobiology Magazine

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