Júpiter (II)

En la primera entrega sobre Júpiter hablamos acerca de aspectos generales relacionados con el gigante: su órbita, su tamaño y forma, su movimiento de rotación y sus emisiones electromagnéticas. Como dijimos entonces, para saber más acerca de Marduk hacía falta llegar hasta él o, al menos, pasar lo suficientemente cerca como para analizarlo con más detalle… de modo que eso es exactamente lo que hicimos en los 70.

Pioneer 10 durante su construcción (NASA).

Llegar hasta Júpiter desde la Tierra es energéticamente caro y al mismo tiempo casi inevitable si se quiere visitar el Sistema Solar exterior; sé que puede sonar contradictorio, pero se trata sólo de una contradicción aparente. Por una parte, la Tierra se encuentra mucho más cerca del Sol, es decir, mucho más “hundida” en el pozo gravitatorio de la estrella. Esto significa que viajar hacia Júpiter significa “subir la cuesta” del potencial gravitatorio de la estrella, lo mismo que salir de la Tierra a una órbita más o menos razonable significa “trepar” por el potencial gravitatorio terrestre. Para escapar de ese modo hace falta energía, mucha energía.

En la exploración espacial, el gasto energético más grande suele ser siempre salir de nuestro planeta. Normalmente no se habla de energía gastada al discutir estas cosas, sino de la variación de velocidad, o delta-v (Δv), entre el lugar de salida y el de llegada, que da una idea de cuánto cuesta realizar ese viaje. Para escapar de la superficie terrestre hasta una órbita relativamente baja sobre nuestro planeta hace falta un Δv de unos 10 km/s. En comparación, escapar de la superficie lunar y alcanzar una órbita similar alrededor de la Luna sólo cuesta 1,6 km/s.

Como consecuencia, normalmente nuestro mayor gasto energético en casi cualquier exploración espacial es –casi siempre de manera exagerada– la primera etapa del viaje, el subir hasta órbita desde la superficie terrestre. De ahí que, si algún día construimos un ascensor espacial, comenzaremos una nueva etapa como exploradores espaciales “de verdad”. Pero en el caso de Júpiter, el Δv entre la órbita terrestre y la órbita de Faetón, unos 9 km/s, es casi tan grande como los 10 km/s para largarse de la Tierra… es muy, muy caro energéticamente llegar hasta allí.

Trayectorias de las sondas Pioneer (observa sus sendos encuentros con Júpiter y el cambio de trayectoria allí).

Pero, por otro lado, es muy deseable acercarse a Júpiter si uno quiere alejarse lo suficiente del Sol. Júpiter, aunque tenga un tamaño irrisorio comparado con el de la estrella, sigue siendo un señor planeta, y esto significa que tiene un intensísimo campo gravitatorio. Es posible utilizarlo entonces como una especie de “honda gravitatoria” para acelerar en el camino hacia regiones aún más lejanas del Sistema Solar, y hacer eso ahorra cantidades de energía considerables. De ahí que tengamos tantas imágenes de él, a pesar de que sólo una sonda espacial haya estado en órbita alrededor de Júpiter: casi todas nuestras sondas que van a las regiones exteriores del sistema se dan una vuelta por Júpiter para conseguir ese “impulso extra” que las propulse gratis. Y, según pasan cerca del gigante, nos obsequian con imágenes y datos fascinantes.

La primera de nuestras sondas en acercarse a Júpiter fue la Pioneer 10, que el día 3 de diciembre de 1973 pasó a unos 130 000 km de las cimas de las nubes jovianas, y utilizó la gravedad del gran planeta para acelerar hasta unos 132 000 km/h. Según pasaba, la Pioneer posó sus múltiples instrumentos (magnetómetros, cámaras, detectores de radiación infrarroja y ultravioleta, etc.) sobre el monstruo, y nos regaló las primeras imágenes “en primer plano” de Júpiter. Aunque no fuesen tan detalladas como otras posteriores tomadas a menor distancia y con mejores instrumentos, su belleza extraña era cautivadora:

Imágenes de Júpiter tomadas por la Pioneer 10 (NASA).

Un año después de que la 10 realizase su breve visita a Júpiter, lo hizo su hermana, la Pioneer 11. La 11 se acercó aún más al planeta que la anterior: llegó a estar a sólo 34 000 km del monstruo. Además, su movimiento fue contrario a la rotación del planeta según pasaba, con lo que obtuvo más datos que la Pioneer10. En cualquier caso, ambas sondas nos proporcionaron mucha información sobre Júpiter, tanto directa como indirectamente.

Vimos fotografías muy detalladas de las capas superiores de la espesísima atmósfera joviana. En ellas se veían con claridad las bandas de colores alternos que mencionamos en la primera entrega, todas paralelas al ecuador del planeta: las oscuras se llaman cinturones, y las de color más claro, zonas. Se podían observar además estructuras espirales con características muy parecidas a las de los ciclones y huracanes terrestres… ¡sólo que eran tormentas de una magnitud inimaginable en la Tierra, claro! Habría que esperar unos pocos años a que las Voyager nos dieran imágenes aún más detalladas que nos permitieran crear un “mapa” de la atmósfera del gigante, pero nuestro conocimiento no paraba de crecer.

Imágenes de Júpiter tomadas por la Pioneer 11 (NASA).

En las fotos de arriba puedes ver, por ejemplo, la famosa gran mancha roja, un gigantesco anticiclón de tamaño más del doble de la Tierra. En las primeras observaciones de Júpiter con telescopios se había llegado a pensar que era una montaña o algún otro accidente geográfico, pero una vez supimos que lo que veíamos de Júpiter no era más que la capa de nubes que cubren el planeta, era evidente que se trataba de alguna estructura fluida. Hablaremos más de la gran mancha roja en un momento, y de otras estructuras características de la atmósfera de Júpiter.

El avance fundamental debido a las dos Pioneer, sin embargo, no consistió en tomar imágenes de la atmósfera de Júpiter, aunque fueran mejores que las que podíamos tomar desde la Tierra: consistió en medir por fin, in situ, el campo magnético del planeta, y a partir de él tratar de deducir a grandes rasgos la estructura interna de Júpiter. Como dijimos en la entrada anterior, ya teníamos cierta idea de la intensidad del campo magnético joviano debido a las emisiones electromagnéticas del planeta, pero las Pioneer nos permitieron estudiarlo con mucha más precisión.

Magnetosfera joviana (NASA).

La magnetosfera de Júpiter, es decir, la región del espacio que lo rodea en la que el campo magnético reinante es básicamente el creado por el planeta, es gigantesca: la más grande, desde luego, de todo el Sistema Solar si no contamos la del Sol. Se extiende unos siete millones de kilómetros hacia el Sol, y casi hasta la órbita de Saturno en sentido contrario (en la “sombra de Júpiter” vista desde el Sol) y, como dijimos en el artículo anterior, el campo magnético es intensísimo. La gran intensidad del campo, junto con un detalle con el que no habíamos contado al mandar las Pioneer, hizo que casi perdiéramos una de ellas y que, desgraciadamente, no obtuviéramos toda la información que nos podían haber enviado.

Desde luego, ya sabíamos que estas sondas se encontrarían con un campo magnético intenso, y con cinturones de partículas muy energéticas asociados a él, como sucede en el caso de la Tierra. Ya hablamos de estos cinturones al estudiar nuestro planeta: se trata, en nuestro caso, de los Cinturones de Van Allen. En el caso de nuestro pequeño planeta, esas partículas tienen su origen en el viento solar, y son atrapadas por nuestro campo magnético, como ya dijimos en su momento. De modo que las Pioneer estaban preparadas para soportar el paso por cinturones de plasma similares, e incluso más intensos que el nuestro.

Pero en el caso de Júpiter esos cinturones son devastadores: por una parte, el campo magnético es muchísimo más intenso. Pero, por otra, dado que Júpiter está tan lejos del Sol, debería haber una densidad mucho menor de partículas cargadas que poder atrapar para crear esos “donuts de partículas”, con lo que podríamos esperar que una cosa compensase la otra y que no hubiera una densidad de partículas mucho mayor que alrededor de la Tierra. Sin embargo, cuando la Pioneer 11 se acercó a Júpiter, se encontró con niveles de radiación diez veces mayores que los predichos. La sonda sufrió varios problemas, y perdió casi todas las imágenes de la luna Io que había tomado antes de poder enviarlas a la Tierra. Afortunadamente, la Pioneer 11 fue capaz de atravesar los cinturones de plasma y sobrevivir, pero el susto que nos llevamos fue morrocotudo.

Sin embargo, la pregunta era ¿por qué? ¿de dónde habían salido todas esas partículas cargadas tan energéticas? Por aquel entonces no lo sabíamos, pero irónicamente, era la propia Io quien había destruido las fotos que la retrataban. ¡Una luna minúscula alterando hasta tal punto las condiciones alrededor de Júpiter! Desde luego, hablaremos con mucho más detalle de Io cuando le corresponda, pero la pequeña luna, con su intensa actividad volcánica, estaba alimentando de materia los cinturones de radiación de Júpiter a un ritmo tremendo.

Los volcanes de Io emiten gases de forma continua, especialmente óxidos de azufre. Pero, como Io es tan pequeña, no es capaz de retener esos gases con su débil gravedad, de modo que éstos escapan al espacio… y allí se ven expuestos a la radiación inmisericorde del Sol. La radiación UV rompe las moléculas, separando el azufre del oxígeno y dejando esos iones a merced del campo magnético joviano. Esta cadena de volcanes-radiación UV constituye una verdadera fábrica de plasma, pues eso son simplemente los iones resultantes, ¡partículas cargadas sueltas! Al estar Io tan cerca de Júpiter, las ingentes cantidades de iones que se van produciendo son atrapadas por el campo magnético del planeta. Cuando digo “ingentes” no estoy bromeando: nuestras últimas estimaciones nos dan valores de emisión de una tonelada cada segundo.

“Donut de plasma” asociado a Io (en amarillo) dentro de la magnetosfera joviana (NASA).

El resultado es un donut de plasma muy energético alrededor de Thor, que no existiría a esa distancia del Sol sin la colaboración de la pequeña pero violenta Io. Otras lunas también colaboran, pero el cinturón de plasma asociado a Io es inconfundible. Desde luego, en cuanto se observó el extraño comportamiento de laPioneer 11 y los niveles de partículas cargadas, se rediseñaron las siguientes sondas en acercarse a Júpiter (las Voyager, de las que hablaremos en un momento) para que no hubiera problemas con ellas. Sin embargo, otras sondas posteriores han seguido teniendo apuros debido a estos cinturones, que hacen de nuestros cinturones de Van Allen una broma entre amigos.

El campo magnético de Júpiter crea, por supuesto, magníficas auroras en sus polos, según algunas partículas atrapadas caen sobre la espesa atmósfera. Aunque las Pioneer no obtuvieron –al menos, que yo sepa– imágenes de estas auroras, con los años hemos obtenido muchas, algunas de ellas bellísimas, en distintas regiones del espectro electromagnético, pero especialmente en radiación UV y X:

Imagen compuesta de imágenes en el espectro visible (tomada por el telescopio espacial Hubble) y X (tomada por el telescopio espacial Chandra).

Imagen compuesta visible-UV tomada por el telescopio espacial Hubble.

Imagen en el espectro UV tomada por el Hubble.

En la última imagen pueden verse, además, rastros de las complejas interacciones entre el campo magnético de Júpiter y sus satélites, más allá de las partículas lanzadas al espacio por las lunas. Los puntos brillantes son las “sombras” de varias de sus lunas; abajo y un poco a la derecha puedes ver las de Ganímedes y Europa, y la más impactante de todas, arriba a la izquierda, la de Io.

Los problemas asociados a un campo magnético de tal intensidad seguirán presentes en cualquier misión que enviemos cerca de Júpiter, pero al menos después de las dos Pioneer estábamos preparados para ello. Las siguientes sondas en acercarse al Leviatán fueron las dos gemelas Voyager, a finales de los 70, que ya estaban diseñadas para funcionar siendo “bombardeadas” por partículas muy energéticas. Las Voyager son interesantísimas por muchas razones, como lasPioneer, aunque aquí sólo nos centraremos en su papel en la exploración de Júpiter y –en entregas posteriores– sus lunas.

Reproducción de las sondas Voyager (NASA).

Las dos Voyager pasaron cerca de Júpiter en 1979 (en marzo la Voyager 1, en julio la Voyager 2) en su viaje hacia las regiones exteriores del Sistema Solar, y nos proporcionaron información adicional y datos fascinantes sobre el planeta y sus satélites. Aunque no llegaron a acercarse mucho (unos 350 000 km la primera y 570 000 km la segunda), la calidad de sus instrumentos ópticos era mejor que la de las Pioneer, aunque sólo hubieran pasado unos pocos años entre ellas, y las imágenes que nos llegaron quitan el aliento. Sé que soy pesado, pero piensa que se trata de fotografías tomadas sólo diez años después de que llegásemos a la Luna.

A continuación quiero mostrarte una secuencia de fotografías según la Voyager 1 se acercaba a Júpiter. Cada foto fue tomada diez horas después de la anterior, de ahí que el planeta parezca no rotar sobre su eje (pues, como recordarás, un día joviano dura diez horas). La primera imagen es del 6 de enero de 1979, cuando la sonda estaba a unos 58 millones de kilómetros de Faetón, y la última, del 3 de febrero, a 31 millones de km del planeta.

¡Hay tanta información condensada en esta animación que podríamos estar hablando de ella un buen rato! En primer lugar, puedes ver “motas negras” sobre Júpiter, cuando alguna luna proyecta su sombra sobre las nubes, y también “destellos blancos” en el espacio, que son las propias lunas fotografiadas por laVoyager. Además, puede comprobarse la naturaleza fluida de la superficie visible de Júpiter: puedes ver las bandas de distintos colores, y cómo algunas se mueven en un sentido y otras en el contrario. También puedes ver las intensísimas y gigantescas –recuerda la escala– turbulencias que se forman entre las bandas, e incluso el giro de ciclones y anticiclones según pasan los días.

¡Ojo! La animación tiene casi 7 MB, de modo que, dependiendo de cuánto hayas tardado en leer hasta aquí, tu conexión y la de El Tamiz (que a veces no es para tirar cohetes), es posible que aún no se haya cargado completamente y parezca no moverse, con lo que puede que tengas que esperar un poco, pero créeme, merece la pena. Si esto no te emociona un poco es que no tienes sangre en las venas:

Animación del acercamiento de Voyager 1 a Júpiter (NASA).

Bastante más cerca del planeta que en la animación anterior, la Voyager 1 registró la entrada en la magnetosfera joviana. Como hemos dicho antes, acercándose desde el Sol (y por lo tanto desde la Tierra en el viaje de la sonda), a unos 7 millones de kilómetros del planeta, se produce la transición desde el campo magnético interplanetario hacia la región dominada por el de Júpiter. A continuación dejo la “traducción sonora” de lo registrado por los instrumentos de la Voyager; puedes escuchar, durante la primera parte, el impacto de electrones sueltos cuando la sonda está aún inmersa en el viento solar, y recibe las partículas desviadas por el campo magnético de Júpiter (suena como grillos muy agudos). Después hay unos instantes de calma según la sonda atraviesa la región de transición… y finalmente se desencadena el caos cuando la Voyager atraviesa el frente de choque y se ve sumergida en el plasma turbulento de la magnetosfera joviana. Una vez más, emocionante:

Las Voyager midieron con más precision cosas que las Pioneer ya habían estudiado, y pusieron sus ojos en otras partes del sistema joviano: hablaremos de ellas de nuevo cuando estudiemos las lunas galileanas. Además, la Voyager 1 confirmó lo que los datos enviados por las Pioneer hacían sospechar: Júpiter tenía un sistema de anillos, como Saturno, aunque bastante más discreto. Las imágenes que obtuvo eran muy malas, pero una vez sabíamos que los anillos estaban allí, sólo había que esperar a que otras sondas más capaces pudieran tomar las fotografías y mediciones pertinentes.

Pero, en lo que al gran Brihaspati se refiere, la diferencia fundamental con las Pioneer fue la calidad de las imágenes, que nos permitieron ver cosas como ésta, para las que sobra mi verborrea, aunque no te vas a librar de mis comentarios tras verla:

La gran mancha roja, fotografiada por la Voyager 1 (NASA).

A su lado de este anticiclón descomunal, los otros (que, en la Tierra, consumirían continentes enteros) parecen miniaturas… es inimaginable. Puedes ver además las turbulencias secundarias asociadas a este monstruo, que lleva ahí al menos desde la primera vez que lo vimos en 1831. De hecho, nuestros modelos atmosféricos del planeta sugieren que puede tener la estabilidad suficiente como para durar milenios. Para que te hagas una idea de su escala, como he dicho antes, la Tierra cabría dos veces dentro (casi tres a lo largo), y da una vuelta sobre sí misma cada seis días.

Aquí tienes otra imagen de la misma zona, retocada para aumentar el contraste entre los colores:

La gran mancha roja con el color retocado (NASA).

Parece mármol o un conjunto de chorros de pintura desparramados en un lienzo… pero recuerda que la pequeña mancha blanca abajo y a la derecha de la roja es más grande que la Tierra. Y, si estuvieras dentro de uno de esos vórtices tremendos, la velocidad del viento sería de hasta 430 km/h. En Júpiter, todo es más grande que la vida misma.

El caso es que, con las imágenes de las Voyager, pudimos tener ya un mapa bastante detallado de Júpiter… lo cual significa, desde luego, un mapa de las nubes de Júpiter. Analizando espectroscópicamente las diferencias entre unas zonas y otras, pudimos conocer la composición de esas zonas más altas y su temperatura, y midiendo la velocidad de desplazamiento de las nubes pudimos tener una idea de la velocidad del viento en cada región.

Como dijimos antes, suele llamarse a las bandas más claras zonas, y a las más oscuras, cinturones. La concentración de amoníaco (NH3) en las bandas es muy grande: en esas regiones se producen corrientes ascendentes. Los gases, según ascienden, se expanden y se enfrían, y se forman espesas nubes de cristales de amoníaco congelado. Esos cristales, de color claro, son los que dan a las zonas su color; lo que esto significa, además, es que las zonas son regiones en las que la cima de las nubes es muy alta. Pero ¿qué hay por debajo?

Zonas y cinturones de Júpiter (NASA/Awolf/Wikipedia/CC 3.0 Attribution Sharealike License).

¡Por debajo están las nubes oscuras de los cinturones! En ellos, las corrientes son descendentes, con lo que el amoníaco se sublima y convierte en gas de nuevo, y las nubes claras se desvanecen. En los cinturones se nos revelan, por tanto, regiones más internas de la atmósfera joviana, aunque son todavía muy superficiales comparadas con el tamaño del planeta, claro. En los cinturones hay distintos compuestos que les dan el color, derivados del carbono, el fósforo, el azufre y otros: todavía no tenemos una cuenta exacta de los componentes de las nubes jovianas.

La diferencia de color entre zonas y cinturones hace, además, que unas absorban menos radiación solar que los otros (el albedo de las zonas es mucho mayor que el de los cinturones). Como consecuencia de esto, las zonas están más frías que los cinturones, aunque ambos se encuentran, a esta distancia del Sol, a temperaturas muy bajas, de hasta -100 ºC en la cima de las nubes de amoníaco de las zonas. Como dijimos en la entrada anterior, la conversión de energía potencial gravitatoria en térmica según el gran planeta se encoge le proporciona una cantidad muy grande de calor, pero en estas regiones tan externas, la temperatura es muy, muy baja (en la tropopausa alcanza su valor máximo de unos -160 ºC).

Entre zonas y cinturones hay chorros de viento permanentes que tienen velocidades, en algunos casos, espectaculares. Los valores medidos por las Voyager fueron luego corroborados con bastante precisión por la Cassini (de la que hablaremos en el futuro, y que también tomó la imagen de arriba con las zonas y cinturones), y son bastante impresionantes, sobre todo teniendo en cuenta que están en m/s:

(Ruslik0/Wikipedia/CC 3.0 Attribution Sharealike License)

En la imagen se representan zonas y cinturones con color oscuro y claro y, como puedes ver, las velocidades mayores se producen en las fronteras entre unas y otros en las zonas cercanas al ecuador, mientras que los polos son algo más “tranquilos”. En cualquier caso, los movimientos atmosféricos en Júpiter son tremendamente violentos, en gran parte debido a su enorme velocidad de rotación. Además, aunque no se vea en la figura de arriba –en la que se representa únicamente la velocidad del viento, no su dirección–, en general los chorros se dirigen en sentidos fijos: subiendo de latitud desde el ecuador joviano, al pasar de zona a cinturón los chorros suelen ser hacia el oeste, mientras que al pasar de cinturón a zona, suelen ser hacia el este.

Aquí puedes ver, en una animación creada mediante imágenes de la sonda Cassini, el sentido dominante de los tremendos vientos de Faetón. En total, se trata del transcurso de diez días terrestres (24 días jovianos):

Animación de los vientos de Júpiter (NASA).

Aunque nuestros modelos de la atmósfera joviana aún son primitivos, pensamos que esta estructura tan ordenada por latitudes está asociada a células convectivas similares a las células de Hadley en la Tierra. De lo que no teníamos ni idea tras el paso de las Pioneer y las Voyager era de qué demonios había bajo las nubes más bajas que podíamos ver (las de los cinturones), ni si el viento era tan fuerte por debajo, ni del perfil de temperatura y presión… hacía falta penetrar en las nubes de Júpiter. Y eso fue lo que hicimos, tras una década bastante estéril (en parte, por el desastre del Challenger), cuando llevamos hasta Marduk una misión audaz y emocionante: una sonda capaz de desprenderse de una sección y lanzarla hacia el interior del Leviatán. Se trataba de la sondaGalileo; de ella, del interior de Júpiter y de muchas otras cosas hablaremos en la siguiente entrega dedicada a Brihaspati.