La superficie de Europa es una capa de hielo que cubre un océano global y muestra características sorprendentes. Largo, grietas lineales y crestas entrecruzan la superficie, roto por regiones de terreno interrumpido donde la corteza de hielo de la superficie se ha agrietado y se ha vuelto a congelar en nuevos patrones. Los colores que se ven en esta imagen de la misión Galileo a fines de la década de 1990 son aproximadamente los que vería el ojo humano. Crédito:NASA / JPL-Caltech
La luna de Júpiter, Europa, es definitivamente un lugar extraño. Descubierto en 1610 por Galileo Galilei, se vio por primera vez en detalle solo a fines de la década de 1970, después de que la nave espacial visitara el sistema joviano.
Ligeramente más pequeño que nuestra propia luna, Europa difícilmente podría parecer más diferente. Ambos tienen interiores de roca y metal. Pero Europa está envuelta en un océano global de agua salada y cubierta por una brillante capa de hielo. El caparazón está marcado con grietas y fallas y lugares moteados donde el hielo ha sido roto por el líquido de abajo.
Los científicos han especulado durante décadas sobre lo que hay dentro de ese océano. Es más grande en volumen que todos los océanos de la Tierra juntos.
Un sismómetro financiado por la NASA que se está desarrollando en la Universidad Estatal de Arizona promete aterrizar en la capa de hielo de Europa y escucharla.
El sismómetro usaría las mareas naturales de Europa y otros movimientos para descubrir el grosor de la capa, ver si contiene bolsas de agua (lagos subterráneos) dentro del hielo, y determinar con qué facilidad, y con que frecuencia el agua del océano podría subir y derramarse en la superficie.
"Queremos escuchar lo que Europa tiene que decirnos, "dijo Hongyu Yu, de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU. "Y eso significa poner un 'oído' sensible en la superficie de Europa".
Las vistas en primer plano de la capa de hielo tomadas por la nave espacial Galileo muestran un número incontable de fracturas que se cruzan entre sí. Los colores rojizos (realzados en esta vista) provienen de minerales en el agua del océano que se filtran a través del caparazón y son bombardeados por la radiación de Júpiter. El sismómetro diseñado por ASU aterrizaría en el caparazón y detectaría sus movimientos. Crédito:NASA / JPL-Caltech
El ingeniero de sistemas de exploración Yu dirige un equipo de científicos de ASU que incluye al sismólogo Edward Garnero, geofísica Alyssa Rhoden, y la ingeniera química Lenore Dai, director de la Escuela de Ingeniería de la Materia, Transporte y Energía en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton.
Inversión en tecnología
Si bien no hay planes actuales para enviar un módulo de aterrizaje a Europa, el equipo ha recibido una subvención de la NASA para desarrollar y probar un sismómetro en miniatura de no más de 4 pulgadas (10 centímetros) de lado, lo que podría ser crucial para avanzar en la exploración futura de Europa. Oportunamente, considerando dónde se está creando, el proyecto se titula Sismómetros para explorar el subsuelo de Europa, o SESE.
La mayoría de los sismómetros, ya sea para su uso en la Tierra o en otros planetas, Confíe en un concepto de sensor de masa y resorte para detectar ondas sísmicas pasajeras. Pero ese tipo de sismómetro, dice Yu, debe colocarse en posición vertical, debe colocarse en su lugar con cuidado sin grandes sacudidas o sacudidas, y la cámara donde opera el sensor necesita un vacío completo para asegurar mediciones precisas.
Abultado, Las áreas rotas en la capa de hielo de Europa, denominadas "caos", parecen marcar los lugares donde pueden existir cuerpos de agua subterráneos dentro de la capa de hielo. como se ve en la impresión de este artista. Tales lagos podrían formarse cuando el agua tibia del océano se eleva y se derrite en el caparazón, posiblemente creando nichos habitables. Crédito:Britney Schmidt / Dead Pixel VFX / Univ. de Texas en Austin
"Nuestro diseño evita todos estos problemas, "Yu explica. El sismómetro SESE utiliza un sistema microelectromecánico con un electrolito líquido como sensor". Este diseño tiene una alta sensibilidad a una amplia gama de vibraciones, y puede operar en cualquier ángulo con respecto a la superficie.
"Y si es necesario, " él añade, "Pueden golpear el suelo con fuerza al aterrizar". Yu señala que el equipo probó el prototipo golpeándolo con un mazo. Sobrevivió.
Además de ser extremadamente resistente, El sismómetro SESE también promete impulsar el estado del arte en sensores. "Estamos entusiasmados con la oportunidad de desarrollar electrolitos y polímeros más allá de sus límites de temperatura tradicionales, ", dice el miembro del equipo Dai." Este proyecto también ejemplifica la colaboración entre disciplinas ".
Se necesita un aterrizaje firme
Las columnas de vapor de agua fueron captadas en erupción por el telescopio espacial Hubble en septiembre de 2016. La ubicación en Europa donde se originaron las columnas se encuentra en un área cálida en la capa de hielo, identificado años antes por la nave espacial Galileo antes de que finalizara su misión en 2003. Un objetivo principal del sismómetro SESE sería detectar las ondas sísmicas de una erupción de este tipo. Crédito:NASA / ESA / W. Sparks (STScI) / Centro de Ciencias de Astrogeología del USGS
La capacidad de soportar un aterrizaje brusco es de gran ayuda, dice el miembro del equipo Garnero. "Los sismómetros deben conectarse con el suelo sólido para funcionar con la máxima eficacia". Sentarse sobre materiales superficiales sueltos puede aislar el instrumento de las ondas sísmicas que atraviesan el cuerpo de la luna o el planeta, o bien, en Europa, su caparazón de hielo.
Landers, que llevaría sismómetros, "suelen tener cuatro o seis patas, "Dijo Garnero." Si cada pierna lleva un sismómetro, estos podrían ser empujados a la superficie al aterrizar, haciendo buen contacto con el suelo ".
Además, él dijo, Tener varios sensores en un módulo de aterrizaje brinda a los científicos la oportunidad de combinar los datos registrados en cada uno. Esto les permite superar las vibraciones sísmicas variables registradas por cada instrumento, y permite a los científicos saber de qué dirección provienen las ondas sísmicas.
"También podemos distinguir las señales de alta frecuencia de las de mayor longitud de onda, ", Explicó Garnero. Cuanto más amplio sea el espectro que el instrumento puede detectar, más fenómenos detectará. "Por ejemplo, pequeños meteoritos que golpean la superficie no muy lejos producirían ondas de alta frecuencia, y las mareas de remolcadores gravitacionales de Júpiter y las lunas vecinas de Europa harían largas, ondas lentas ".
Cuatro sensores dispuestos en una caja de unas 4 pulgadas de lado conforman el módulo de prueba del sismómetro del proyecto SESE. Las diversas orientaciones de los sensores permiten que el instrumento funcione sin importar cómo aterrice en la superficie. Crédito:Hongyu Yu / ASU
Entonces, ¿cómo sonaría Europa?
Garnero se rió. "I think we'll hear things that we won't know what they are."
Pero, él dijo, "ice being deformed on a local scale would be high in frequency—we'd hear sharp pops and cracks. From ice shell movements on a more planetary scale, I would expect creaks and groans."
Ocean world
Europa can be glimpsed in binoculars from the backyard as it circles Jupiter once every 85 hours. But it's just a point of light, looking no different from what Galileo saw when he discovered it.
The Europa that scientists study today, sin embargo, is more properly considered an ocean world. This is because of two flyby spacecraft (NASA's Voyager 1 and 2) and an orbiter (NASA's Galileo) that spent eight years at Jupiter. Long-distance observations of Europa also have come from the Hubble Space Telescope orbiting Earth, which detected plumes of water vapor erupting from the shell in 2012 and 2016.
"At Europa, we're trying to use seismometers to determine where the liquid water lies within the ice shell, " team member Rhoden said. "We want to know how active the ice shell is."
The answers to these questions are important to the future exploration of this moon and its habitability, ella dijo. "An active shell with pockets of water creates more niches for life and more ways to transport nutrients from the ocean to the surface."
Locating these pockets on Europa would allow future lander missions to possibly sample ocean water brought up through the ice shell.
Just how active is Europa?
"No lo sabemos, " Rhoden said. The surface is geologically young, with an approximate age (based on numbers of craters) of 50 to 100 million years. "It may have undergone an epoch of activity early in that period and then shut down." But it's equally possible, ella dice, that the shell is experiencing fractures, uplifts, offsets, and melt-throughs today.
"Hubble's recent plume observations last fall appear to support that."
As Europa orbits Jupiter, it gets repeated tugs from the gravity of neighbor moons Io and Ganymede. These tugs keep Europa's orbit from becoming circular and that lets Jupiter stress the shell—and then let it relax—over and over, interminablemente. Por lo tanto, Rhoden said, seismometers on the surface should detect any ongoing activity in the shell.
The team developing the SESE seismometer has its sights on Europa, but they are also looking beyond, because the design is robust and adaptable. This could let it become something of a universal instrument for seismology on other worlds.
As team leader Yu explains, "With modification to fit local environments, this instrument should work on Venus and Mars, and likely other planets and moons, también."
