El gran dilema de la exploración planetaria: ¿Urano o Neptuno?

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El gran dilema de la exploración planetaria: ¿Urano o Neptuno?

Existe cierto consenso entre la comunidad científica que la siguiente misión costosa de la NASA —de tipo flagship— después de Europa Clipper debe tener como objetivo, o bien Venus, o bien Urano y Neptuno (Marte cuenta con su propio programa de exploración independiente). Explorar Venus es posible con misiones de tipo Discovery o New Frontiers, más sencillas y baratas, pero explorar en profundidad los gigantes helados es prácticamente imposible sino es con una sonda compleja y avanzada. A instancias del Congreso de los EE UU, en 2015 la NASA comenzó a estudiar la posibilidad de mandar una misión a Urano y Neptuno a partir de 2030 aproximadamente. Desgraciadamente, la naturaleza ha conspirado para que esta misión sea de todo, menos sencilla.

¿Neptuno o Urano?¿Urano o Neptuno?¿O los dos? (NASA).

El principal problema es que no solo resulta más caro, sino también mucho más complejo visitar los dos planetas gigantes con una sola sonda. La excepcional alineación planetaria de los tiempos de las Voyager ha desaparecido y es casi imposible efectuar una misión de sobrevuelo de ambos planetas con una única nave. Y, de todas formas, la comunidad científica lo que demanda es un orbitador, o sea, una sonda que se quede alrededor del planeta para estudiarlo en detalle. Y, claro está, dos sondas son mucho más caras que una sola. Una alternativa es enviar un único orbitador a uno de los dos mundos, pero, ¿cuál elegimos?

Características de los sistemas de Urano (arriba) y Neptuno (NASA/ESA).

A raíz de los sobrevuelos de la Voyager 2 de Urano y Neptuno en 1986 y 1989, respectivamente, se pensaba que Urano era mucho más «aburrido» que Neptuno, de ahí que casi todas las propuestas de misiones hasta hace pocos años preveían estudiar el planeta más alejado del sistema solar. Pero las observaciones de telescopios terrestres y del telescopio espacial Hubble han demostrado que Urano posee una atmósfera muy activa. Además, los satélites de Urano constituyen el sistema de lunas peor conocido de todo el sistema solar. Como bola extra, Urano está mucho más cerca que Neptuno, por lo que el tiempo de vuelo de una misión a este planeta suele ser inferior al tiempo que se tarda en llegar a Neptuno, una ventaja considerable a la hora de planificar una misión de este tipo.

Características de Urano (izquierda) y Neptuno (NASA).

Por este motivo, la mayoría de misiones de hace unos años señalaban la importancia de estudiar ambos gigantes de hielo. Sin embargo, el sobrevuelo de Plutón por parte la sonda New Horizons en 2015 reveló la tremenda complejidad de este planeta enano y despertó el interés por el estudio de otros cuerpos del cinturón de Kuiper. Y, precisamente, la mayor luna de Neptuno es Tritón, un cuerpo del cinturón de Kuiper capturado. Según los modelos teóricos, Plutón y Tritón podrían tener un océano de agua subterráneo (mejor dicho, un manto de agua). Esto provocó que Tritón fuese considerado un candidato a «mundo océano» según las directrices de la NASA y, por extensión, que la exploración de Neptuno pasó a ser prioritaria frente a la de Urano. Por otro lado, la ventana de lanzamiento óptima de Urano se cerrará en 2029, mientras que la de Neptuno tendrá lugar en 2031 y 2032. Si no se aprovechan estas ventanas de lanzamiento, habría que esperar hasta mediados de los años 40.

Posibles modelos del interior de Urano y Neptuno (NASA/ESA).
Posible composición de un gigante de hielo (NASA).

¿Y cuál es el panorama actual? Estos días se está celebrando en Londres el congreso Icy Giants Systems 2020 y, precisamente, una de las cuestiones que se han abordado es a qué sistema debe dársele prioridad. Para ello, es crucial tener en cuenta la perspectiva exoplanetaria. Los gigantes de hielo son, junto con las supertierras, los tipos de planetas extrasolares más abundantes, de ahí que el interés en explorarlos no se limite a conocer mejor el sistema solar, sino que son piezas claves para entender la mayoría de sistemas planetarios alrededor de otras estrellas. En ese sentido, lo más razonable sería estudiar el gigante de hielo «estándar». ¿Pero cuál es de los dos? La respuesta es: no lo sabemos. Pese a sus aparentes similitudes, los dos mundos son muy diferentes, incluso sin tener en cuenta sus lunas. Urano es el planeta gigante con el interior que genera menos calor, mientras que Neptuno es que tiene la mayor fuente de calor interna, una dicotomía que se muestra en la actividad atmosférica.

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Las cuatro opciones principales para el estudio de Urano y Neptuno propuestas por la NASA en su estudio preliminar de 2016. De izqda. a dcha.: orbitador de Neptuno con sonda atmosférica y etapa SEP, sonda de sobrevuelo de Urano con sonda atmosférica, orbitador de Urano con sonda atmosférica y orbitador de Urano sin sonda atmosférica (NASA).

Es posible que esta peculiaridad de Urano se deba a un choque brutal con un protoplaneta durante la formación del sistema solar, un choque que además serviría para explicar la inclinación de 98º que presenta el eje de rotación del planeta y el plano de los satélites. Si este es el caso, Neptuno sería el gigante de hielo de referencia y Urano una «rareza». Sin embargo, no estamos seguros de que este escenario sea correcto. Para ser sinceros, no sabemos casi nada de estos planetas. Por ejemplo, ni siquiera estamos seguros de que sean realmente «gigantes de hielo». Algunos modelos sugieren que la proporción de hielos sería muy baja, casi como en Plutón, y que, por tanto, serían más bien «gigantes rocosos».

Urano (arriba) y Neptuno (abajo) (NASA/ESA/STScI/ESO).

¿Conclusión? Hay que estudiar los dos planetas para salir de dudas. Y no estudiarlos de forma somera, sino que deberíamos mandar orbitadores a los dos mundos. Cada nave tendría que estar dotada de una sonda atmosférica, ya que la comunidad científica considera una prioridad el poder medir la proporción de isótopos de determinados elementos —sobre todo gases nobles—  para reconstruir la historia de estos planetas. Estas sondas crearían además un perfil vertical de presión y temperatura de la atmósfera hasta una presión de 5 a 10 bares que nos darían la oportunidad de discriminar entre distintos modelos de formación planetaria.

Urano visto por el telescopio Keck en 2004 (Keck Observatory).
Urano visto por el telescopio Keck en 2004 (Keck Observatory).

Las últimas propuestas de sondas para Urano y Neptuno vuelven a poner de moda el concepto de aerocaptura, una idea que permitiría ahorrar una cantidad ingente de combustible. Este ahorro se podría usar para aumentar la masa de instrumentos científicos, como podría ser una sonda atmosférica. Dependiendo de la masa de la sonda y del lanzador empleado, los tiempos de vuelo a Urano en las ventanas de lanzamiento que hay a partir de 2024 son de 6 a 12 años, mientras que para Neptuno son de 8 a 13 años. Estos tiempos se pueden lograr gracias al uso de maniobras de asistencia gravitatoria. Por ejemplo, algunas trayectorias incluyen sobrevuelos de Venus, la Tierra, Marte y Júpiter. Además, los tiempos se pueden reducir todavía más con el empleo de etapas a base de propulsión eléctrica (SEP) con motores iónicos o de plasma.

Ejemplo de trayectoria de aerocaptura en Neptuno (NASA).
Concepto de sonda atmosférica para estudiar Urano y Neptuno (NASA).

Una propuesta lanzada por John Elliott (JPL) en el congreso Icy Giants System consiste en dos sondas que despegarían en febrero de 2031 a bordo de un único cohete SLS de la NASA. Las dos sondas sobrevolarían Júpiter en 2032 y se separarían. La sonda a Neptuno llegaría en septiembre de 2044, mientras que la sonda a Urano emplearía una etapa SEP hasta las 6 Unidades Astronómicas para acelerar su viaje y llegar a Urano en abril de 2042. La Agencia Espacial Europea (ESA) se ha mostrado interesada en participar en una misión a Urano y Neptuno. La ESA podría encargarse de instrumentos científicos o de las subsondas atmosféricas, aunque la posibilidad de construir una de las dos naves por separado no se contempla, al menos antes de 2040.

Propuesta de misión del JPL con dos sondas lanzadas mediante un único cohete SLS (https://twitter.com/hbhammel).

La NASA todavía no ha tomado una decisión con respecto a una misión flagship a Urano y Neptuno. El número de objetivos fascinantes en el sistema solar que reclaman atención no para de crecer: Venus, Encélado, Titán, etc. Pero es imposible que tengamos una visión de conjunto del sistema solar sin saber casi nada de la mitad de planetas gigantes que giran alrededor del Sol, planetas que además son representantes de un tipo de mundo increíblemente frecuente en la Galaxia.

Urano visto por la Voyager 2 después del encuentro del 24 de enero de 1986. Una perspectiva imposible de obtener desde la Tierra (NASA/JPL).
Urano visto por la Voyager 2 el 25 de enero de 1986 tras el encuentro. Una perspectiva imposible de obtener desde la Tierra (NASA/JPL).

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LINK DE LA FUENTE ORIGINAL NAUKAS DANIEL MARIN

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