Lucy: la exploración de los troyanos de Júpiter      

 

 

Por Joel Davis.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero Ordáz, ALDA.

14 de octubre de 2021.

Trojanopener

El 16 de octubre de 2021, la NASA lanzó la misión Lucy, que investigará dos poblaciones de asteroides primitivos que se congregan en puntos estables a lo largo de la trayectoria orbital de Júpiter. Al observar más de cerca estos asteroides, llamados troyanos, Lucy puede revolucionar nuestra comprensión de cómo se formó el Sistema Solar. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.

 

Júpiter es, con mucho, el planeta más grande y masivo del Sistema Solar. Y como corresponde a un mundo que lleva el nombre del rey romano de los dioses, Júpiter tiene un séquito impresionante. Incluye un conjunto de anillos tenues y polvorientos, 80 lunas conocidas o sospechosas y dos enjambres de asteroides que preceden y siguen al planeta en su órbita. Estos últimos son los asteroides troyanos.

 

A pesar de todo lo que hemos descubierto sobre Júpiter, sus lunas e incluso sus anillos, sabemos muy poco sobre los troyanos. Las sondas Pioneer 10 y 11, las dos Voyager, la sonda Galileo y la Juno, han devuelto una gran cantidad de datos sobre el sistema joviano. Sin embargo, hasta ahora, la única forma de estudiar los troyanos ha sido desde lejos, con telescopios terrestres y en órbita terrestre.

 

Eso está a punto de cambiar. En 2017, la NASA dio el visto bueno para una nueva misión  robótica de clase Discovery que se lanzará en 2021. La sonda espacial visitará y explorará seis diferentes troyanos de Júpiter, y un asteroide del cinturón principal, por si acaso. Se sabe tan poco sobre los troyanos que los datos sin duda revolucionarán nuestra comprensión de estos cuerpos ancestrales. Lo que descubra la nave espacial podría confirmar algunas teorías actuales sobre la evolución temprana del Sistema Solar, o ponerlo todo patas arriba.

 

Los puntos dulces.

Cada planeta tiene varios “puntos dulces” gravitacionales donde un cuerpo  relativamente pequeño, como un asteroide, puede mantener una posición bastante estable en relación con dos cuerpos más grandes, como el Sol y el planeta, o el planeta y su luna. La atracción gravitacional entre los dos cuerpos grandes proporciona suficiente fuerza centrífuga para mantener al objeto más pequeño orbitando con ellos. Estos puntos dulces se denominan puntos lagrangianos, nombrados así por Joseph-Louis Lagrange, quien identificó dos de ellos en 1772.

 

Existen cinco puntos lagrangianos para cada uno de estos sistemas. L1, L2 y L3  (descubiertos por el matemático Leonhard Euler unos años antes de que Lagrange identificara los otros dos) caen en una línea recta trazada a través de las dos grandes masas. L1 se encuentra entre los dos cuerpos; L2 se encuentra más allá del más pequeño de los dos objetos, pero aún en la línea entre ellos; y L3 se encuentra detrás del mayor de los dos objetos, de nuevo todavía en la línea entre ellos. L1, L2 y L3 son regiones inestables; casi cualquier fuerza externa sacará de órbita los objetos en estos puntos. Por lo tanto, es extremadamente raro que objetos naturales como lunas o asteroides ocupen estos lugares. Las naves espaciales deben utilizar periódicamente algún tipo de propulsión de mantenimiento de la estación para permanecer en estos puntos lagrangianos.

 

L4 y L5 son los terceros puntos de dos triángulos equiláteros dibujados en el plano de los  dos objetos grandes, y ambos puntos suelen ser bastante estables. La base del triángulo es la línea entre los objetos grandes, digamos, el Sol y Júpiter. Los otros dos lados de los triángulos son las líneas de cada cuerpo grande a los puntos que se encuentran a unos 60° por delante (L4) y 60° por detrás (L5) en la órbita del más pequeño de los dos objetos grandes (Júpiter, en este caso).

 

Los asteroides troyanos de Júpiter.

Los puntos lagrangianos anteriores y posteriores de Júpiter son estables a lo largo de la  edad del Sistema Solar. Como el Mar de los Sargazos, el enorme giro circular en el Océano Atlántico Norte, han acumulado eones de objetos. Estos pedazos de restos y restos cósmicos son los asteroides troyanos de Júpiter. Siguen órbitas heliocéntricas con casi el mismo eje semi-mayor que Júpiter, alrededor de 5,2 unidades astronómicas. Una AU es la distancia promedio Tierra-Sol. La distancia a Sol – Júpiter sería entonces 778 millones de kilómetros. A medida que orbitan alrededor del Sol, los troyanos tienden a acercarse o alejarse de Júpiter. La atracción gravitacional del planeta acelera o desacelera los asteroides, lo que hace que libren, u oscilen, alrededor de los puntos L4 y L5. Esto pastorea a los troyanos en dos regiones alargadas alrededor de esos puntos.

 

 

https://astronomy.com/-/media/Images/Magazine%20Articles/2018/06/Trojandiagram.jpg?mw=1000&mh=800

 

Muchos troyanos de Júpiter tienen inclinaciones orbitales (o inclinaciones en sus planos orbitales) más grandes que Júpiter, y algunos mucho más grandes. Por ejemplo, los Troyanos 2009 WN204 y 2010 BK101 tienen inclinaciones de 40,3° y 40,2°, respectivamente, mientras que 2146 Stentor tiene una inclinación orbital de 39,3°. Aún así, la danza gravitacional entre el planeta y el Sol siempre los trae de regreso a estos dos "puntos dulces" a lo largo de la órbita de Júpiter.

 

El primer troyano oficial fue descubierto el 22 de febrero de 1906 por el astrónomo  alemán Max Wolf. Ocho meses después, August Kopff descubrió un segundo asteroide cerca del punto L5 de Júpiter; el siguiente febrero, Kopff encontró un tercero, este cerca de L4. El astrónomo austríaco Johann Palisa, un prolífico descubridor de asteroides, realizó múltiples observaciones de los tres y calculó sus órbitas. Fue Palisa quien sugirió que los asteroides en la órbita de Júpiter llevaran el nombre de los héroes de la guerra de Troya, y los primeros tres asteroides troyanos se llamaron Aquiles, Patroclo y Hektor. A medida que se descubrieron más de estos cuerpos, se desarrolló una convención de nomenclatura; los asteroides cerca del punto L4 recibieron el nombre de los héroes griegos (el llamado "campo griego") y los que están cerca de L5, de los héroes troyanos (el "campo troyano"). Sin embargo, 617 Patroclo (en L5) y 624 Hektor (en L4) fueron nombrados antes de que esta convención echara raíces. ¡Así que cada campamento tiene un "espía" en medio!

 

pequeños campingstrojans

Acampar con los troyanos. Los asteroides troyanos de Júpiter se dividen en dos grupos principales. Los asteroides en el campo griego (que lleva a Júpiter en L4) llevan el nombre de héroes griegos, mientras que los del campo de Troya (detrás de Júpiter en L5) llevan el nombre de héroes troyanos. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.

 

En 1961, más de medio siglo después de que Wolf identificara el primer troyano, solo se  habían descubierto 13 más. Con nuevas mejoras en la instrumentación, el número aumentó, primero lentamente y luego apresuradamente. A principios de 2017, se habían avistado más de 6.500: 4.184 en el punto L4 de Júpiter y 2.326 en L5. Scott Sheppard, astrónomo de la Carnegie Institution for Science y detector decorado de pequeños cuerpos dentro del Sistema Solar, ha dicho que el número de troyanos de Júpiter puede superar el número total de objetos en el cinturón de asteroides principal.

 

Pero a pesar de la plétora de troyanos de Júpiter descubiertos, en realidad sabemos  relativamente poco sobre ellos. La mayoría de nuestras observaciones se han realizado con telescopios terrestres. Y aunque los astrónomos han descubierto menos troyanos en la nube L5 que en la nube L4, esto podría ser el resultado de sesgos de observación en su cobertura.

 

Lucy en el cielo.

Hace unos 3,2 millones de años, en lo que hoy es el valle del río Awash en Etiopía, murió  una pequeña criatura simiesca. Se desconoce cómo sucedió: tal vez se cayó de un árbol, o tal vez estaba en algún viaje y se perdió. Pero allí yacía, partes de su esqueleto perdidas por el viento y la lluvia. Rocas, tierra y polvo volcánico cubrieron sus huesos, capa tras capa, a lo largo de los milenios.

 

Luego, en 1974, un equipo de paleoantropólogos dirigido por Donald Johanson encontró  alrededor del 40 por ciento de su esqueleto fosilizado. Fue miembro de la especie de homínidos Australopithecus afarensis, y probablemente sea el fósil prehumano más famoso de la historia. Su nombre científico es AL 288-1, pero todos la conocen como Lucy. El nombre proviene de la igualmente famosa canción de los Beatles, "Lucy in the Sky With Diamonds", que el equipo de Johanson escuchó en el campamento la noche de su descubrimiento.

 

Ahora, una nave espacial que lleva su nombre viajará al cielo en busca de diamantes  científicos. Se necesitará, para robarle otra melodía de los Beatles, un camino largo y sinuoso para llegar allí. Pero los resultados valdrán la pena la espera.

 

Para la misión Lucy, esta es una segunda oportunidad. El investigador principal de la  misión, Hal Levison del Southwest Research Institute (SwRI) en Boulder, Colorado, señala que una vez antes se propuso una misión llamada Lucy. “Hubo un llamado en 2010 para nuevas misiones Discovery”, dice, “y una de las propuestas entonces era para una misión también llamada Lucy”. Esta primera propuesta se basó en la nave espacial New Horizons y tenía diferentes objetivos, solo uno de los cuales era un troyano Júpiter. No fue aprobado.

 

Cuando se realizó la siguiente convocatoria de misiones Discovery en 2014, Levison  decidió "reiniciarlo" con el mismo nombre pero con un nuevo propósito. “Las personas involucradas en la primera propuesta estaban bastante distraídas con New Horizons, como se puede imaginar”, dice. "Decidí que sería bueno cambiar un poco el enfoque de la misión y estudiar realmente los asteroides troyanos". SwRI y el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, se buscaron para crear la nueva propuesta de Lucy, con Lockheed Martin diseñando y construyendo la nave espacial.

 

Lockheed Martin tiene una nave espacial de construcción de registros larga y exitosa  para la NASA, incluida la misión de retorno de muestras de asteroides OSIRIS-REx, el orbitador Mars Odyssey de 2001 y la misión Mars InSight, actualmente en Marte. Tim Holbrook es el subdirector de programas de la compañía para Lucy. El equipo científico, dirigido por Levison y Catherine Olkin, tiene su sede en SwRI en Boulder. El Goddard Space Flight Center es la instalación de la NASA que gestiona el proyecto, con Keith Noll como científico del proyecto.

 

La nueva Lucy no se parecerá a New Horizons. “Cuando miras a Lucy, ves el tamaño, las  características físicas y la estructura del orbitador Mars Odyssey. También incorpora todos los sistemas de naves espaciales de última generación, como el paquete de aviónica, de OSIRIS-REx”, explica Holbrook. “También hemos analizado otras naves espaciales que hemos construido en los últimos años, como el módulo de aterrizaje InSight Mars. Estamos reuniendo lo mejor de lo mejor".

 

La nave espacial tiene 3,5 metros de altura y 13,5 metros de ancho cuando esté completamente desplegada con sus dos paneles solares circulares. Lucy tendrá lo que Holbrook llama "un sistema de propulsión de modo dual" que usa oxidante e hidracina para las cinco quemaduras principales de la misión, y solo hidracina para maniobras más pequeñas de ajuste de trayectoria y mantenimiento de posición.

 

Los objetivos troyanos de Lucy son 3548 Eurybates, 15094 Polymele, 11351 Leucus y  21900 Orus en el L4 Campo Griego, más 617 Patroclus y su compañero binario, Menoetius, en L5 Campo Troyano. La nave espacial recopilará datos sobre la composición de la superficie, la geología de la superficie y las propiedades internas y generales de los objetivos troyanos (más un asteroide del cinturón principal llamado 52246 Donaldjohanson). Y lo hará desde corta distancia. El equipo de Lucy también utilizará el hardware de radiocomunicaciones de la nave espacial para medir los cambios Doppler, o cambios en la frecuencia de una señal que se inducen cuando un objeto se mueve en relación con un observador. Mientras Lucy orbita un troyano, las variaciones mínimas en la concentración de masa del asteroide harán que la nave se acelere o desacelere ligeramente. Estos pequeños cambios de velocidad cambiarán la señal de radio de Lucy.

 

Dos de los tres instrumentos científicos de Lucy se obtienen directamente de New  Horizons y el tercero de OSIRIS-REx. El telescopio L'Ralph, construido por el Goddard Space Flight Center, es un generador de imágenes CCD óptico en color y un mapeador espectroscópico infrarrojo. El original de New Horizons recibió su nombre del personaje de Jackie Gleason en la serie de televisión The Honeymooners. LORRI, un generador de imágenes de luz visible de alta resolución, es la versión de Lucy del generador de imágenes de reconocimiento de rango largo a bordo de New Horizons; es del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland. El espectrómetro de emisión térmica (TES) es una versión mejorada del instrumento OSIRIS-REx, construido en la Universidad Estatal de Arizona en Tempe.

 

El largo y ventoso camino.

El viaje de Lucy a los troyanos de Júpiter será largo y durará casi 12 años de principio a  fin. La línea de tiempo actual requiere que la nave espacial se lance en octubre de 2021. Dos sobrevuelos de la Tierra en octubre de 2022 y diciembre de 2024 lanzarán la nave espacial a través del cinturón de asteroides hacia el campo griego en la región L4 de Júpiter. En abril de 2025, Lucy hará un sobrevuelo de 52246 Donaldjohanson, un asteroide del cinturón principal de 4 km de ancho y llamado así por el descubridor de la Lucy original: ¡un primer encuentro apropiado!

Lucypath

Doce años, siete objetivos. Este diagrama ilustra el camino que tomará Lucy durante su viaje de 12 años, que lo llevará cerca de cuatro asteroides L4, dos asteroides L5 y un asteroide del cinturón principal, por si acaso. Crédito: Astronomía: Roen Kelly, Southwest Research Institute.

 

En agosto de 2027, la nave alcanzará su primer objetivo troyano, Eurybates, de  aproximadamente 64 km de diámetro. El cinturón principal incluye muchas de las llamadas "familias" de asteroides creadas por colisiones, pero solo una de esas familias se conoce en los troyanos. Y Eurybates es su miembro más grande conocido.

 

Un mes después, Lucy volará junto a Polymele. Este objeto de 21 km de diámetro probablemente también sea un fragmento de una colisión antigua. Luego, en abril de 2028, la nave espacial visitará Leucus, que tiene 34 km de ancho y es muy oscuro. El último troyano L4 que Lucy visitará es Orus en octubre de 2028. Orus tiene aproximadamente 51,5 km de ancho.

 

La órbita de Lucy lo traerá de regreso a la Tierra para otro sobrevuelo asistido por  gravedad en diciembre de 2030. Luego volverá a deslizarse hacia el reino de Júpiter y pasará a través del enjambre L5 para un encuentro final con un troyano en marzo de 2033. Patroclus, el segundo troyano en ser descubierto, es un asteroide binario con un diámetro medio de 113 km, y su compañero, Menoetius, que tiene aproximadamente 104 km de ancho. Se orbitan entre sí a una distancia de 680 km.

 

"¡Será un gran encuentro, mi favorito!" exclama Levison. “Está al final de la misión.  Tendremos que esperar, ¡pero será lo más destacado! ”El equipo científico tenía dos objetos de particular interés para la misión Lucy, dice Levison. Eurybates, el primer troyano con el que se encontrará Lucy, es el único en la lista de "visitas obligadas" del equipo. El otro es Patroclo. "El hecho de que Patroclus sea todavía un binario significa que probablemente sea bastante prístino", dice Levison. “Si alguno de los objetos del binario hubiera sufrido una gran colisión, habría interrumpido por completo el binario. Es por eso que hay tan pocos binarios en la parte interna del Sistema Solar.

 

“Por otro lado, Eurybates es el miembro más grande de una familia de objetos de  colisión”, dice. “Así que estamos visitando un binario que probablemente sea bastante prístino, y un tipo que conocemos le dio una patada. Compararlos será interesante en sí mismo".

 

La visita a Patroclo es un gran ejemplo de la buena suerte que ha tenido el equipo de Levison. “Este objeto tiene una inclinación orbital de más de 20°, y da la casualidad de que cruzará el plano del Sistema Solar justo cuando Lucy pase”, dice. “Fue pura suerte. ¡He estado estudiando mecánica celeste durante 30 años, y los dioses de la mecánica celeste me están pagando!".

 

Con sus bajos albedos y espectros rojizos, la mayoría de los troyanos de Júpiter parecen  similares a algunos asteroides del cinturón principal exterior, centauros y objetos del cinturón de Kuiper. Sin embargo, dice Levison, muchos troyanos individuales difieren ampliamente en el tipo espectral, color, tamaño e historial de colisiones. Una posible explicación de este misterio es que todos estos objetos se formaron originalmente en los confines del Sistema Solar y luego se mezclaron en los enjambres de Troyanos. Eso podría haber ocurrido durante la formación planetaria, o más tarde cuando los planetas gigantes migraron a sus órbitas actuales. Pero la única forma de empezar a resolverlo es estudiar de cerca la diversidad de los troyanos.

 

Afortunadamente, Levison y su equipo confían en que Lucy es la misión perfecta para  ayudar a arrojar nueva luz sobre estos diamantes oscuros en el cielo.

 

Más información en:

https://astronomy.com/magazine/news/2018/09/exploring-jupiters-trojan-asteroids