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Misión interestelar

La tierra es un escenario muy pequeño en la vasta arena cósmica. Carl Sagan Feliz el espíritu cuyo cuidado fuere el de investigar toda cosa que se ha elevado a las alturas celestes. Lucrecio

Alexandra de Castro Ph. D. Profesora visitante de la Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga. [email protected]

LOS VIAJEROS DEL COSMOS 5 de septiembre de 1977. En una mañana soleada, en Florida, EE. UU., el Voyager 1 fue lanzado desde Cabo Cañaveral, dieciséis días después que su hermano gemelo, el Voyager 2. Los Voyagers habían comenzado su aventura interplanetaria. Se había programado que el Voyager 1 visitara los gigantes Júpiter y Saturno, mientras que el Voyager 2 visitaría los remotos Urano y Neptuno. Era el tímido rumbo planificado inicialmente por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Sin embargo, después de que los Voyagers nos cautivaran con imágenes de hermosos paisajes planetarios y datos científicos muy valiosos, la NASA decidió prolongar la misión, y todavía, 38 años más tarde, sigue activa y sorprendiéndonos con sus observaciones. Lo que comenzó como un proyecto modesto en el sistema solar se ha convertido en una misión interestelar. Una de las tareas más importantes de los Voyagers es estudiar el comportamiento y la estructura de la zona de influencia solar, o heliósfera, y su transición al inhóspito medio interestelar, esto es, el espacio entre las estrellas. La heliósfera es una especie de burbuja gigante que da forma a la región dominada por el campo magnético del Sol. Se extiende a más de 100 unidades astronómicas de la órbita de Plutón y está en interacción con el medio interestelar local. Las unidades astronómicas son las unidades que los astrofísicos consideran convenientes para medir distancias en el sistema solar y su vecindad, o en otros sistemas planetarios. Una unidad astronómica (UA) representaba originalmente la distancia media entre el Sol y la Tierra, esto es, el promedio entre la distancia más corta, o perihelio, y la más larga, o afelio. Después de muchas discusiones técnicas, los astrofísicos decidieron fijar una UA en exactamente 149.597.870.700 m, o aproximadamente 150 millones de km. Nuestro planeta hermano más lejano, Neptuno, está a unas 30 UA, es decir, 30 veces más lejos del Sol que la Tierra. A estas alturas, finalizando el 2015, el Voyager 1 ya se encuentra a más de 132 unidades astronómicas, esto es, a casi 20.000 millones de km de la Tierra. Para nuestro deleite, la NASA mantiene una página web interactiva con los datos de vuelo de los Voyagers [1]. Uno de los principales métodos utilizados para investigar la heliósfera y el comportamiento solar es el estudio de los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos, descubiertos a principios del siglo XX por el físico austriaco Victor Hess, son átomos y partículas subatómicas que erran en

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Figura 1.Voyager 1, 1979. Gran mancha roja de Júpiter. Fuente: Laboratorio de Propulsión a Chorro de la Nasa

odiseas por el universo. Algunos recorren distancias inconmensurables antes de interactuar con algún otro cuerpo. Su composición, espectro de energías y origen sigue siendo materia de estudio. Hasta donde se ha logrado entender, están compuestos mayormente de átomos, núcleos de átomos, neutrones, protones —aproximadamente 99% serían núcleos de hidrógeno y helio, y cerca de 1%, núcleos más pesados—, electrones e ínfimas proporciones de antimateria. Pueden ser originarios de una variedad de fuentes astronómicas, tanto del Sol, de nuestra galaxia o de fuera de la Vía Láctea  [2]. Los que tienen carga eléctrica neta, o iones, son desviados por los campos magnéticos de los planetas, las estrellas, las galaxias y de otros cuerpos celestes. El Sol eyecta rayos cósmicos continuamente. El campo magnético del Sol afecta la dirección que toman los flujos de los iones de sus propias emisiones y de los que provienen de otras fuentes galácticas, de modo tal que actúa como un escudo de protección del sistema solar. Ese flujo de iones entrelazados en las líneas de campo magnético genera una especie de gas que se conoce como plasma, y el plasma en la heliósfera de los iones emanados por el Sol se conoce como viento solar.

astronómicas, la información, que viaja a la velocidad de la luz, tarda 18 horas, desde la tierra, en alcanzar al Voyager 1.

Los Voyagers son observatorios móviles dotados de equipos para realizar once experimentos, que incluyen detectores de rayos cósmicos, instrumentos para medir intensidad y dirección de los campos magnéticos y otros equipos que miden densidad, presión y velocidad del plasma en el viento solar. Dotados con una antena de comunicaciones de 3,7 metros de diámetro, reciben instrucciones desde la Tierra y envían hacia la Tierra datos obtenidos con los instrumentos que llevan a bordo. Ha sido una larga conversación con frutos muy provechosos. A 132 unidades

Los científicos han orientado sus estudios principalmente a la caracterización de la actividad solar mediante la detección de rayos cómicos y de mediciones directas e indirectas del campo magnético heliosférico. En tierra, las colaboraciones científicas instalan arreglos de detectores en la superficie para capturar lluvias de rayos cósmicos atmosféricos. Entre los experimentos aún operativos se destacan los del Observatorio Pierre Auger, en la Pampa Amarilla, de Argentina, los del Observatorio de Detectores de Agua Cherenkov de Altura (HAWC, por sus siglas en

HELIOS, UN DIOS CON ESTRUCTURA Y MUCHO CARÁCTER Los griegos llamaron Helios a la personificación del Sol. Era representado como un apuesto gigante que conducía una carroza de caballos. Los griegos lo veneraban como a un dios por su poder sobre la Tierra, y no estaban lejos de la realidad. El estudio de la heliósfera y del medio interestelar local, la zona que se encuentra justo después de la heliósfera, se conoce como meteorología espacial. Esta disciplina está muy en boga y no es difícil imaginar su enorme importancia. La actividad solar tiene una influencia considerable sobre los procesos naturales que ocurren en la tierra y sobre las actividades humanas en general. El Sol afecta el desarrollo de la vida en la tierra, el clima y hasta las telecomunicaciones. En el futuro se pretende alcanzar un nivel de desarrollo en el campo de la meteorología espacial que permita hacer predicciones como las que se hacen hoy del clima en la atmosfera terrestre.

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Figura 2. Voyager 1 en el espacio interestelar. Concepto artístico. Fuente: Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA e Instituto Tecnológico de California.

inglés), ubicado en México, y la colaboración Hermanus, en Sudáfrica. Con el experimento HAWC, además, se hacen observaciones indirectas de las variaciones del campo magnético en la corona solar, mediante el análisis de la sombra que se vislumbra desde la tierra por la absorción de rayos cósmicos en el Sol [3]. Asimismo, muy atentos al cielo, tenemos los telescopios ópticos Gregor, de tres espejos, en Tenerife, islas Canarias, y el Gigante Oso Polar, en California, EE. UU., cuyo objetivo principal es medir con alta precisión el campo magnético solar y sus variaciones. Con el propósito de obtener datos a partir de mediciones desde el espacio, colaboraciones científicas han instalado equipos en satélites que tienen como misión evaluar la composición de la atmosfera solar, la temperatura de la corona y la densidad y composición del plasma en el viento solar. Ejemplos son el Observatorio Heliosférico Solar (SOHO, por sus siglas en inglés), que orbita al Sol, lanzado en el año 1995, construido y operado en colaboración entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA. El satélite ruso Reus-Dk1, lanzado en el año 2006, contiene un aparato diseñado para detectar rayos cósmicos en amplio espectro de energías, con la particularidad de que es capaz de identificar antimateria. Entre las sondas espaciales, aparte de los Voyagers, tenemos a la Ulysses y la IBEX. La sonda Ulysses tiene como misión determinar las características de

la heliósfera según la latitud solar. Entre otras cosas, con sus equipos se estudian propiedades del plasma, el viento solar y variaciones del campo magnético heliosférico. El Explorador del Borde Interestelar (IBEX, por sus siglas en inglés) está diseñado para estudiar los confines de la heliósfera y proveer datos que ayuden a entender su forma. Sus instrumentos permiten hacer un mapa de lugares remotos, incluso de regiones donde ninguna sonda ha llegado aún, y detectar átomos neutros, que han sido acelerados por choques con las partículas del plasma. Con estos experimentos, junto con los modelos matemáticos que toman en cuenta principalmente la dinámica de los campos magnéticos y el transporte y difusión de las partículas del plasma en el viento solar (o magnetohidrodinámica), los científicos han logrado determinar la forma y estructura de la heliósfera. La heliósfera se extiende de forma radial desde el Sol hasta la zona de transición entre el viento solar y el campo interestelar local. Está aceptado que la heliósfera tiene una forma asimétrica [4, 5]. Gracias al viajero IBEX, la NASA cuenta con evidencia de que la heliósfera tiene una nariz y una cola. Además, la forma de la heliósfera no es estática, sino que cambia de acuerdo con la actividad solar. Por otro lado, el viento solar ejerce un efecto de arrastre sobre las líneas del campo magnético heliosférico. Cuando el campo magnético del Sol es fuerte, domina sobre el

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Figua 3. Nariz y cola de la heliósfera. Expresión artística inspirada en el IBEX, NASA. Fuente: Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA e Instituto Tecnológico de California.

plasma, pero en las regiones en las que el campo comienza a debilitarse, el plasma domina y deforma las líneas de campo. Tras un par de siglos de observaciones, en 1843, el astrónomo alemán Samuel Heinrich Schwabe logró establecer que la actividad solar tiene ciclos de aproximadamente once años. Estos ciclos están relacionados con los cambios en los niveles de radiación y de eyección de materia coronales (conocidas como CME, por sus siglas en inglés), cambios en el número de manchas solares y de otros eventos transitorios, como erupciones violentas repentinas o fulguraciones. Se dice que el ciclo está en un máximo cuando el Sol tiene más actividad y más manchas solares. Durante el mínimo del ciclo, prácticamente desaparecen las manchas solares. Los ciclos solares y los eventos transitorios pueden estudiarse a través de los rayos cósmicos. Cuando el ciclo está en el máximo, por ejemplo, un flujo menor de rayos cósmicos galácticos impacta la Tierra. Este efecto de la actividad solar sobre los rayos cósmicos se llama modulación, y ha jugado un papel fundamental en el estudio de los ciclos; uno de ellos es el estudio del ciclo de veintidós años, descubierto por al astrónomo estadounidense George Ellery Hale en 1925. El ciclo de veintidós años está relacionado con la inversión de la polaridad del campo magnético del Sol [6]. Debido a que el Sol está compuesto principalmente de gases y plasma, su movimiento rotacional

no es rígido. Los gases en el Sol rotan más rápido en el ecuador que en los polos. Este fenómeno, que se conoce con el nombre de rotación diferencial, produce un alejamiento de las líneas de campo magnético en las latitudes altas, y acercamiento de las líneas de campo hacia las latitudes bajas que se concentran a medida que el ciclo solar progresa. Este efecto se extiende al medio interplanetario por el campo magnético heliosférico. La heliósfera tiene una estructura constituida por capas. El viento solar empuja el medio interestelar, lo cual da origen a la heliósfera. En la heliósfera los rayos cósmicos alcanzan velocidades supersónicas, es decir que llevan, en promedio, velocidades mayores que la del sonido. A medida que nos alejamos del Sol, más allá de la órbita de Plutón, el viento solar comienza a perder energía, los iones entran en una fase de transición de velocidades de supersónicas a subsónicas, y ocurre un cambio brusco en la dirección que toman los flujos y el campo magnético del Sol. A esa región se la conoce como zona de choque terminal. Los científicos a cargo del proyecto Voyager determinaron que el Voyager 1 cruzó la zona de choque terminal en el 2004 a unas 94 AU de la Tierra, mientras que el Voyager 2 lo hizo en el 2007, a aproximadamente 84 AU, para adentrarse en la heliofunda, que es la zona en la que comienza la transición de la heliósfera al medio interestelar local  [7,  8]. Dentro de la heliofunda nos

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encontramos con la frontera, o heliopausa, una banda delgada generada por el equilibrio de presiones entre el viento solar y los flujos más fríos y densos del medio interestelar local. Ubicada en la zona contraria a la presión del gas interestelar se encuentra la heliocauda, o cola. VOYAGER, MISIÓN INTERESTELAR Ahora, después de 38 años, la misión Voyager sigue reportando hallazgos y observaciones de capital importancia para el entendimiento de la heliósfera y del medio interestelar local. El 25 de agosto de 2012, a una distancia de 122 unidades astronómicas, los instrumentos a bordo del Voyager 1 comenzaron a percibir claramente una merma significativa de iones y electrones del viento solar y a detectar con mayor intensidad rayos cósmicos galácticos no modulados por la actividad solar, cuyo flujo ha venido aumentando gradualmente en los últimos tres años. Aunado a esto, se detectó un cambio repentino en la dirección e intensidad del campo magnético externo. Ya se habían observado disminuciones de este flujo de partículas mientras aún se encontraba en la heliósfera; sin embargo, el campo magnético no había experimentado ningún cambio significativo. Después de un análisis escrupuloso de los datos se determinó en consenso científico que el Voyager 1 comenzó a atravesar la heliopausa en esa fecha. Efectivamente, la sonda ya ha estado enviando los primeros datos correspondientes de mediciones in situ que, según predicen los modelos, son característicos del propio medio interestelar local. El Voyager 1 ha abandonado el nido definitivamente, cruzando fronteras nunca antes alcanzadas por ningún objeto hecho por el hombre [9].

El director del proyecto Voyager, Edward Stone, profesor del Instituto Tecnológico de California e investigador de la NASA, y sus colaboradores han dado a conocer los detalles de estas primeras observaciones en la 34.ª Conferencia Internacional sobre Rayos Cósmicos (34th ICRC), llevada a cabo en La Haya, Países Bajos, en agosto de 2015. En resumen, Stone y colaboradores argumentan que el Voyager 1 ha encontrado una pared de iones interestelares que envuelve la heliósfera, con una densidad de partículas entre cuarenta y cien veces mayor de lo que se observaba cuando la nave aún se encontraba en el dominio solar. El campo magnético de la región interestelar local se percibe poco turbulento y sus líneas de campo están comprimidas de modo que envuelven a la heliósfera. También reporta Stone que el Voyager 2, sonda que lleva una trayectoria diferente a la del Voyager 1, está en este momento a 108 unidades astronómicas del Sol, continúa explorando la heliofunda, y se pronostica que alcanzará el medio interestelar en unos años. Los científicos reportan que la mayoría de las observaciones coinciden con predicciones hechas por los modelos actuales, mientras que otras han producido algo de controversia, como, por ejemplo, en aspectos relacionados con la estructura propia de la zona de transición, o heliopausa [10]. En la aventura de la producción del conocimiento, los proyectos espaciales también llevan una carga de nuestras esperanzas y temores. La exploración del cosmos es una exploración de nosotros mismos. Los Voyagers no son simples laboratorios ambulantes. Como botellas mensajeras en el inmenso océano, las sondas Voyager transportan memorias de la Tierra. Se trata de un conjunto

Heliofunda

Medio interestelar

Choque terminal

Heliósfera

Figura 4. Estructura de la heliósfera Fuente: Imagen cortesía de la NASA

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de objetos que caracterizan a nuestra cultura contemporánea, que fueron colocados en su interior con la ilusión, muy remota, de que alguna civilización extraterrestre los encuentre y tal vez logre descifrar su significado. Además, entre otros detalles, nos han proporcionado imágenes de nosotros mismos que sería imposible obtener de otro modo. El 14 de febrero de 1990, los científicos del proyecto ordenaron un giro para tomar fotografías de la ya distante Tierra, que se divisó diminuta y vulnerable en el espacio, a unas 40 unidades astronómicas. Un punto azul pálido, como la llamó el afamado astrofísico y divulgador científico Carl Sagan. Era una mirada necesaria que contribuye al entendimiento de lo que somos y el lugar que ocupamos en el universo. El Voyager 1 viaja con una velocidad de cerca de 3,6 UA por año (61.479 km/h), a 35 grados al norte del plano eclíptico, o el plano del movimiento aparente del Sol, que es el mismo plano de las órbitas de los planetas del sistema solar. El Voyager 2 viaja a unos 3,3 AU por año (56.355 km/h), 48 grados al sur del plano eclíptico. Según los cálculos de la NASA, a la sonda Voyager 1 le tomará aproximadamente trescientos años llegar a la Nube de Oort, y tardará unos 30.000 años en cruzarla. Se cree que esta región, propuesta por el astrónomo holandés Jan Oort para explicar el origen de los cometas, es una especie de banda gruesa llena de trozos de hielo que orbitan al Sol a unas 5.000 UA de distancia. ¿Hasta cuándo seguiremos recibiendo datos del Voyager 1? No lo sabemos con precisión, pero llegará un día en que esa comunicación cesará. A partir de entonces la sonda continuará viajando en silencio con sus velas izadas por el universo. •

REFERENCIAS [1] NASA, http://voyager.jpl.nasa.gov/index.html. [2] Grieder PKF. Cosmic rays at Earth. Masterdam: Elsevier; 2001. [3] Enríquez O, Lara A. The galactic cosmic-ray Sun shadow observed by HAWC, Proccedings of Science, 34th Inernational Cosmic Rays Conference; 2015. [4] Ferreira SES, Scherer K. Modulation of cosmic-ray electrons in the outer helio-sphere, The Astrophysical Journal 2004; 616(2): 1215-1223. [5] Fahr HJ. Global structure of the heliosphere and interaction with the local interstellar medium: three decades of growing knowledge. Advances in Space Research 2004; 34(1): 3-13. [6] Potgieter MS. Solar modulation of cosmic rays, Living Reviews in Solar Physics 2013; 10(3). [7] Stone EC, Cummings AC, McDonald FB, Heikkila BC, Lal N, Webber WR. An asymetric solar wind termination shock. Nature 2008; 454(7200): 71-73. [8] Richardson JD, Liu Y, Wang C. Solar wind structure in the outer heliosphere, Advances in Space Research 2008: 41: 237244. [9] NASA. https://www.nasa.gov/mission_pages/voyager/index. html. [10] Florinski V, Stone EC, Cummings AC, Le Roux JA. Cosmic rays beyond the boundary of the heliosphere. Proccedings of Science, 34th Inernational Cosmic Rays Conference; 2015.

Figura 5. Posición de los Voyagers en 2014 (concepto artístico). Fuente:  NASA/JPL-Caltech,

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