La nave espacial Lucy de la NASA se lanzará en octubre de 2021 en un viaje de 12 años a los asteroides troyanos de Júpiter. La misión Lucy incluirá tres asistencias gravitatorias terrestres y visitas a ocho asteroides.

Llamados "troyanos" por personajes de la mitología griega, la mayoría de los asteroides objetivo de Lucy son restos de la formación del sistema solar. Estos troyanos giran alrededor del sol en dos enjambres:uno que precede y otro que sigue a Júpiter en su órbita del sol. Lucy será la primera nave espacial en visitar a los troyanos, y el primero en examinar tantos objetivos independientes del sistema solar, cada uno en su propia órbita del sol.

Estudiar de cerca los asteroides troyanos de Júpiter ayudaría a los científicos a perfeccionar sus teorías sobre cómo se formaron los planetas de nuestro sistema solar hace 4.500 millones de años y por qué terminaron en su configuración actual. "Es casi como si viajáramos atrás en el tiempo, "dijo el ingeniero aeroespacial Jacob Englander, quien ayudó a diseñar la trayectoria de Lucy mientras trabajaba en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Concebido por primera vez hace siete años como una misión a dos asteroides, Lucy se expandió a proporciones épicas gracias a la ingeniería creativa y la sincronización impecable. Algunos imaginan que el karma también puede haber tenido algo que ver con eso:"A menudo bromeo diciendo que he pasado mi carrera adorando a los pies de los dioses de la mecánica celestial, "dijo el investigador principal de Lucy, Harold Levison, un experto en dinámica planetaria con base en Boulder, Colorado, rama del Southwest Research Institute (SwRI), que tiene su sede en San Antonio. "Ahora nos están pagando por esa devoción".

La trayectoria

Según la leyenda de la misión, el momento que cambió todo fue en 2014, unos años antes de que la NASA seleccionara a Lucy para el vuelo. Brian Sutter, diseñador de trayectorias de misiones desde hace mucho tiempo, de Lockheed Martin Space en Littleton, Colorado, estaba guiando a Levison a través de una simulación por computadora de la ruta propuesta por Lucy a través del sistema solar.

Levison tuvo la impresión de que Lucy pasaría junto a Patroclo en su camino hacia sus objetivos oficiales; Patroclus es uno de un par de asteroides troyanos que orbitan entre sí. Sin que Sutter lo supiera en ese momento, Patroclus es un troyano favorito de Levison. Encerrado en una órbita binaria con su compañero casi gemelo Menoetius, es una raza rara y misteriosa dentro de la órbita de Neptuno. La mayoría de los asteroides que se asentaron en el sistema solar interior deberían haber sido arrancados de sus compañeros durante el turbulento período de formación de planetas que estuvo marcado por colisiones masivas.

¿Cómo se mantuvo intacta esta pareja? La respuesta podría contener pistas importantes sobre el momento y la ejecución de la formación de planetas, Dijo Levison. "No sé por qué Brian eligió incluir a Patroclus; tal vez fue uno de los más importantes, tal vez le gustó el nombre, ", dijo." Pero cuando lo vi, Recuerdo haber gritado "Espera, espera:¿podemos ir allí? '"

Sutter ha diseñado trayectorias de naves espaciales durante décadas, incluidos los de la misión de retorno de muestras de asteroides de la NASA OSIRIS-REx y el Mars Odyssey Orbiter de la NASA, con la nave espacial construida por Lockheed Martin. Incluyó a Patroclo y Menoetius en la simulación de la trayectoria de Lucy simplemente porque estaban en la vecindad celestial; la pareja no estaba del todo en el camino de Lucy. Pero Sutter verificó si el sistema solar estaría alineado en el futuro de manera que la trayectoria de Lucy pudiera acercarlo lo suficiente al par para observarlos.

Como sucedió, Lucy y la pareja Patroclo-Menoetius se cruzaron en 2033. "Fue solo suerte, "Dijo Levison.

Este hallazgo inspiró a Sutter a buscar otros objetivos a lo largo del camino de Lucy durante el período de tiempo de la misión. Alimentó a 750, 000 órbitas de asteroides conocidos en una hoja de cálculo, más la trayectoria de Lucy en ese momento, y pasó meses haciendo cálculos que encontraron un puñado de asteroides adicionales, algunos con diversas composiciones químicas que eran objetivos científicos perfectos para la misión.

"Seguí agregando encuentros en mi simulación hasta que nos quedamos sin combustible en la nave espacial, y ahí es donde terminamos la trayectoria de Lucy, "Sutter dijo." Sin embargo, También sabía que hay más objetivos en el camino, y podríamos llegar a ellos si tuviéramos un poco más de combustible ".

Como siempre lo ha hecho Sutter usó Excel como una de sus herramientas de trayectoria, un programa que la mayoría de la gente asocia con la contabilidad, para diseñar el camino de Lucy a través del espacio. "Puedo hacer todo tipo de cosas mágicas en él, "Sutter dijo. Haría falta Englander, que trabajaba en NASA Goddard, para optimizar la trayectoria y llevar la nave espacial a ocho objetivos con un diámetro de aproximadamente 2 millas (3 kilómetros) a 70 millas (113 kilómetros).

Ahora diseñador de misiones en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland, Englander no estaba involucrado con Lucy en el momento en que lo leyó en un sitio de noticias popular. Él estaba construyendo un poderoso software llamado Generador de Trayectoria de Misión Evolutiva, o EMTG, ahora disponible como software de código abierto para cualquiera que quiera usarlo. EMTG podría recorrer millones de escenarios de trayectoria en horas en lugar de meses. "Tenía la sensación de que sería beneficioso para Brian y el equipo si les diera una versión de la trayectoria renderizada en EMTG, así que hice ingeniería inversa de la misión según el artículo, ", Dijo Englander.

El software de ruta Englander identificó un uso reducido de combustible y el tamaño del vehículo de lanzamiento de Lucy. Como resultado, le ahorró dinero a la misión mientras pasaba más asteroides, asegurar a Englander un puesto en el equipo, y preparar a Lucy para ser seleccionada por la NASA en 2017.

Ahora, Lucy se lanzará desde la Tierra a bordo de un cohete Atlas V 401 durante una ventana que se abre el 16 de octubre. 2021. Primero volará por la Tierra dos veces para usar la gravedad de este planeta y lanzarse hacia los troyanos. En 2025, Lucy pasará volando por Donaldjohanson, que orbita en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter. El equipo utilizará este sobrevuelo para probar los instrumentos de la nave espacial.

Para agosto de 2027, Lucy llegará a su primer enjambre de troyanos que preceden a Júpiter en una ubicación gravitacionalmente estable conocida como punto de Lagrange. específicamente conocido como L4. Allí, la nave espacial se cruzará primero con Eurybates (pronunciado "yoo-RIB-a-teez" o "you-ri-BAY-teez") y su satélite Queta ("KEH-tah").

Para septiembre de 2027, Lucy volará por Polymele ("pah-li-MEH-lee" o "pah-LIM-ah-lee"), y luego en abril de 2028 por Leucus ("LYOO-kus" o "LOO-kus"), y Orus ("O-rus") en noviembre de 2028.

Lucy luego volverá a pasar por la Tierra para una tercera asistencia de gravedad, que lo catapultará hacia el enjambre al otro lado de Júpiter, ubicado en el punto L5 Lagrange, donde se encontrará con Patroclo ("pa-TROH-klus") y Menoetius ("meno-EE-shus" o "meh-NEE-shus") en 2033.

La ciencia

Los troyanos son grupos de granos de roca y hielos exóticos que no se fusionaron en planetas cuando se formó el sistema solar. Se encuentran entre las pruebas mejor conservadas que nos quedan de ese período y, por lo tanto, son clave para explicar cómo el sistema solar llegó a tener el aspecto que tiene.

"Cuando miramos hacia atrás en el sistema solar y nuestro lugar aquí en la Tierra, la gente pregunta a menudo, "¿Cuál es nuestra historia? ¿Cómo llegamos aquí?", Dijo Cathy Olkin, Investigador principal adjunto de Lucy que trabaja en el Southwest Research Institute. "Lucy intentará ayudar a responder algunas de estas preguntas".

Hay un puñado de teorías que explican cómo los planetas, lunas y otros objetos se formaron y terminaron en sus ubicaciones actuales. Levison, por ejemplo, es coautor del modelo Nice, el nombre de la ciudad en Francia donde se desarrolló en 2004. Esta simulación por computadora del sistema solar temprano sugiere que el gigante, Los planetas gaseosos comenzaron en una configuración compacta alrededor del sol. Finalmente, Las interacciones gravitacionales con el disco de los cuerpos pequeños y entre sí hicieron que los planetas en crecimiento se separaran. Neptuno, Urano, y Saturno se extendió más lejos del sol, mientras que Júpiter se acercó un poco más.

"En esta teoría, esta reorganización provocó una interrupción caótica, "dijo Olkin, un científico planetario, "dispersando muchos cuerpos fuera del sistema solar y atrayendo algunos y atrapándolos alrededor de los puntos de Lagrange. Esa es una posible explicación de cómo surgieron los troyanos de Júpiter".

Comparar la composición de los troyanos de Júpiter ayudará a los científicos a desentrañar su historia. Desde la Tierra y los telescopios espaciales, Los troyanos tienen una composición diferente entre sí. ¿Se debe a que cada uno vino de una parte diferente del sistema solar y, por lo tanto, estaba hecho de material diferente? ¿O los troyanos están hechos del mismo material? con diferencias visibles solo en sus superficies, que puede haber sido alterado por diferentes grados de calentamiento, radiación, y colisiones que experimentaron los asteroides mientras se dirigían a sus posiciones actuales de Lagrange.

Los científicos intentarán responder a estas y otras preguntas con Lucy utilizando instrumentos como L'Ralph, que se basa en uno similar que dirigió Olkin en la nave espacial New Horizons de la NASA. L'Ralph sondeará la composición química de los rincones y grietas de las superficies de los asteroides desde aproximadamente 620 millas, o 1, 000 kilómetros, lejos en promedio. Lechos de cráteres profundos, o paredes de cráteres, puede ofrecer acceso al interior de estos asteroides, que están hechos de materiales más jóvenes (millones de años frente a miles de millones de años para la superficie exterior más antigua). Esas superficies "frescas" presumiblemente no habrían estado expuestas a tanta radiación e impactos de micrometeoritos, y así podría preservar parte de la composición original del asteroide.

Usando la cámara en blanco y negro L'LORRI de Lucy, los científicos contarán el número de cráteres en las superficies de los asteroides, que ofrecerá pistas sobre los entornos a los que estuvieron expuestos los asteroides hace miles de millones de años. Muchos cráteres grandes indicarían que el asteroide se formó en la región turbulenta y más cálida más cercana al sol; mientras que un menor número de cráteres implicaría que el Troyano se formó en la región exterior relativamente tranquila y fría del incipiente sistema solar. Descubriendo dónde se formaron estos asteroides en el disco de gas y polvo que generó el sistema solar, más otras formas de evidencia, ayudará a los científicos a probar sus teorías de formación planetaria.

"Esa sería la historia que me gustaría que se desarrollara durante la próxima década más o menos, "Dijo Levison.

Una larga misión

Aunque la mayoría de las misiones de la NASA duran varios años, Los ingenieros construyen naves espaciales e instrumentos tan duraderos que pueden operar mucho más allá de sus asignaciones principales, y, Por supuesto, muchos hacen. La misión New Horizons a Plutón, por ejemplo, fue diseñado para durar 10,5 años, incluyendo un viaje de nueve años y medio al planeta enano. Pero la misión se amplió, y la nave espacial permanece activa hasta el día de hoy, 15 años después de su lanzamiento en 2006.

La misión principal de Lucy de 12 años es la más larga de la NASA hasta ahora. Para sostener una búsqueda tan ambiciosa, el equipo tenía que planificar no solo la longevidad de la nave espacial, que en parte se inspiró en New Horizons, sino también la de su gente. De concebir la misión, a enviar propuestas a la NASA, para ser seleccionado y construir la nave espacial, algunos miembros del equipo ya han trabajado en Lucy durante más de una década, ¡y la nave espacial ni siquiera se ha lanzado todavía! Algunos pasarán gran parte de su vida adulta trabajando en esta misión. Y si Lucy continúa con una misión extendida, podría volar durante muchas décadas.

"Bien podría ser que para cuando Lucy haya terminado, o sin gas, que mi hijo que acaba de nacer tendrá la edad que tengo ahora, "dijo Englander, que tiene 37 años, "¡y eso es realmente genial!"

Pero la gente cambia de trabajo y se jubila, así que dada la vida de Lucy, el equipo quería evitar interrupciones importantes durante estos cambios inevitables. Para hacerlo el equipo incorporó un plan de sucesión en el diseño de Lucy:los líderes de la misión que tienden a estar más avanzados en sus carreras tienen diputados más jóvenes que pueden asumir el cargo si es necesario. "Estuvimos atentos al problema de la longevidad desde el principio, "dijo Levison, que tendrá 75 cuando la misión principal finalice en 2033.

Patroclo y Menoetius, continuado....

Ubicado en el enjambre de asteroides troyanos que sigue a Júpiter en su órbita, el par binario Patroclo y Menoetius, aproximadamente igual en masa, giran alrededor del centro de masa entre ellos, "como una mancuerna sin barra, "Sutter señaló. Hay buena evidencia de que las primeras cosas importantes que se formaron en el sistema solar fueron este tipo de binarios.

Hoy dia, la mayoría de estos binarios se limitan al cinturón de Kuiper, una región en forma de rosquilla de los cometas más antiguos y menos alterados y otros objetos hechos de hielo, Roca, y polvo. Este cinturón se extiende desde la órbita del planeta más externo Neptuno hasta más allá de la órbita de Plutón.

La evidencia actual indica que Patroclo y Menoetius probablemente se formaron en el sistema solar exterior, en el mismo lugar que muchos de los objetos del Cinturón de Kuiper; esperan aprender con certeza cuando Lucy se acerque a ellos en 2033. Si es así, este par de troyanos podría ser la mejor esperanza para los científicos de alcanzar más objetos similares al cinturón de Kuiper (New Horizons visitó el objeto Arrokoth del cinturón de Kuiper en 2019).

Científicos como Levison teorizan que cuando los planetas gigantes comenzaron a cambiar sus órbitas hace unos 4 a 4,5 mil millones de años, dispersaron todo a su alrededor. Patroclo y Menoetius estaban esparcidos hacia adentro, hacia Júpiter, mientras que muchos otros objetos quedaron atrapados en el cinturón de Kuiper, y algunos fueron lanzados fuera del sistema solar. "Entonces, buscamos pistas sobre si eso es correcto o no, "dijo Keith Noll, Científica del proyecto Lucy que trabaja en la NASA Goddard.

Cuando Lucy llega a la pareja Patroclus, los científicos examinarán su composición y el número de cráteres en sus superficies. "¿Serán suaves o golpeados?" dijo Noll. "¿Y les han golpeado un poco o mucho?" Encontrar respuestas a estas preguntas dará a los científicos una idea de la edad relativa de los asteroides troyanos y las condiciones del sistema solar primitivo.