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EL PATHFINDER EXPLORA A MARTE

por

Sergio Torres Arzayúz



Introducción

La posibilidad de una civilización desarrollada de marcianos, con tecnología suficiente para la construcción de un sistema de canales de irrigación que permitieran el sustento de una agricultura, parece que solo existió en la imaginación de Percival Lowell. El americano que en 1908 trazó todo un diseño donde aparecen los detalles sobre cómo los marcianos nos habían superado en la técnica de controlar el cause de las aguas seguramente fue influenciado por las observaciones de estructuras alargadas sobre la superficie de Marte realizadas por el astrónomo italiano Schiaparelli en 1877.

Efectivamente, la superficie de Marte presenta formaciones alargadas y patrones parecidos a arroyos secos por donde posiblemente fluyó agua cuando el planeta era joven. Que en Marte no hay vida ni mucho menos ingenieros civiles quedó firmemente establecido con los viajes a Marte realizados por las naves espaciales Vikingo en los años 70. La posibilidad de que haya existido alguna forma de vida en Marte, sin embargo, ganó peso con la observación de micro estructuras de origen biológico fosilizadas en un meteorito de origen marciano.

El planeta rojo

Marte es una planeta muy parecido a la Tierra. El período de rotación sobre su eje (24.623 horas), la excentricidad (0.0934) e inclinación (1.85°) de su órbita, su radio (3.397 km) y el período de translación en torno al Sol (686.98 días) son comparables a los de la Tierra. La densidad promedio es una fracción de 0.713 veces la de la Tierra, indicando la presencia de un núcleo pequeño en su centro. La distancia entre Marte y la Tierra puede ser entre 90 y 357 millones de kilómetros dependiendo de la fecha exacta, es decir que las comunicaciones con Marte tienen un retraso de 5.5 a 20 minutos. Por su distancia al Sol (227.9 millones de kilómetros, semi-eje mayor) la atmósfera y el clima en la superficie de Marte es muy distinto que el nuestro. La diferencia de temperaturas entre el día y la noche marcianas es de 95 grados Celsius y en el invierno la temperatura alcanza 125 grados Celcius bajo cero. En la Tierra la atmósfera es una gran masa que puede absorber y emitir calor (eg. efecto invernadero) generando inercia a los cambios de temperatura. En Marte la atmósfera, compuesta primordialmente de CO2 o hielo seco (95.3%), nitrógeno (2.7%), argón (1.6%), es muy tenue y no puede proteger al planeta de cambios extremos en temperatura. La composición química de la atmósfera también determina el color del cielo visto desde el planeta. En la Tierra, por ejemplo el cielo es azul por que las moléculas en la atmósfera dispersan con mayor eficiencia las ondas con longitud de onda pequeña como el color azul y el violeta (dispersión de Rayleigh). Los otros colores de la luz solar pasan derecho por la atmósfera con muy poca dispersión. En Marte no solo hay CO2 en la atmósfera sino también partículas de polvo suspendidas en la atmósfera las cuales hacen que el color del cielo visto desde Marte se naranja (figura 1).

Por su parecido con la Tierra el estudio de Marte es importante para entender mejor nuestro planeta, especialmente su origen y formación. Es esencial recoger datos sobre la historia y constitución de Marte para resolver la inmensa cantidad de preguntas que aún quedan por resolver sobre el origen del sistema solar y el origen de la vida. Motivados por estas preguntas fundamentales las agencias espaciales han elaborado un ambicioso plan en el cual se tiene previsto una flotilla de naves espaciales que visitarán al planeta rojo una vez al año en promedio hasta el año 2005 cuando se lanzará al espacio un robot que traerá muestras del planeta de regreso a la Tierra. Uno de estos proyectos, el 'Mars Pathfinder' liderado por Matthew Golombek de la NASA ya está enviando una lluvia de datos e imágenes suficientes para mantener ocupados a los científicos planetarios por muchos años. Otro proyecto actual es el Topógrafo Global de Marte, un orbitador que entrará en órbita de Marte el 12 de septiembre.

Formación del sistema solar

Con las observaciones realizadas hasta el momento y los hechos conocidos sobre el sistema solar, la teoría más favorecida indica que el Sol y los planetas se formaron a partir de una nube de gas primordial (hidrógeno y algo de helio) hace 4.500 millones de años. Tanto el Sol como los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, etc) se originaron de ese gas primordial por la acción de la gravedad que tiende a acumular grandes cantidades de masa en centros bien definidos. Uno de estos centros resultó ser el Sol, otro Júpiter, etc. con la diferencia de que la cantidad de masa que pudo acumular el Sol fue lo suficientemente grande para alcanzar la densidad y temperatura que comienzan el proceso de fusión nuclear. Los planetas sólidos como la Tierra y Marte se formaron por la acumulación de planetesimales que a su vez se formaron por agregación de partículas. Más adelante, la radioactividad en el interior de los planetas recién formados hizo que estos se calentaran y así comenzó la actividad volcánica. Durante los 4.000 millones o más años de su historia, los planetas han recibido lluvias de meteoritos que al hacer impacto dejan cráteres característicos. En la superficie de la Tierra, la acción erosiva de la atmósfera se encarga de borrar las huellas de los impactos. En la Luna y en Marte por el contrario, los cráteres permanecen marcados en la superficie y un estudio sistemático de sus formas y tamaños permite obtener información sobre la historia del planeta que los alberga.

¿Vida en Marte?

Hace 3.500 millones de años las condiciones tanto en Marte como en la Tierra eran muy diferentes. La evidencia indica que Marte era un planeta más caliente y tenía abundante cantidad de agua líquida, lo cual es favorable para albergar alguna forma de vida. Por lo menos en la Tierra sabemos con certeza que hace 3.500 millones de años ya existía vida en formaciones de algas parecidas a las actuales. Un grupo de científicos liderados por David McKay de la NASA han observado residuos de actividad orgánica en un meteorito proveniente de Marte. El ALH84001 es un trozo de roca marciana de 1.9 kilogramos que se desprendió de Marte hace 16 millones de años por la acción de un violento impacto y aterrizó en el hielo de la Antártida hace 13.000 años. McKay encontró una abundancia relativa de compuestos de hidrocarburos aromáticos policíclicos acompañados de glóbulos de carbonatos que pueden ser la huella dejada por organismos que vivieron en el meteorito en épocas pasadas. De confirmarse este importante hallazgo ganaría fuerza la hipótesis que sugiere que la vida en la Tierra llegó desde fuera a bordo de un meteorito por ejemplo, y aumentaría la probabilidad del surgimiento de vida en muchos otros planetas.

Se sospecha que los valles secos que en algún tiempo fueron el fondo de un lago son sitios ricos en fósiles, si es que existió vida en algún momento en Marte. Inclusive es probable encontrar agua líquida debajo de varias capas de hielo como se ha visto por ejemplo en el fondo de valles secos en la Antártida. La vida microscópica en ésta agua se ha preservado por muchos años. Este tipo de exploración es el objetivo de misiones espaciales futuras, por ahora, la NASA está trabajando en la preparación de estos proyectos y el Pathfinder es un ejercicio donde se prueban las tecnologías nuevas que van a ser usadas en futuras visitas planetarias.

La sonda espacial Pathfinder

El pasado 4 de julio a la 10:07 de la tarde (hora local en California) la sonda Pathfinder llegó a la superficie marciana en la zona de Ares Vallis después de viajar por 6 meses en la órbita que fue precisamente calculada por los científicos del Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA en Pasadena (California). Es el primer contacto con Marte después de 21 años que pasaron desde las visitas de las naves espaciales Vikingo 1 y 2. El Pathfinder está compuesto por la estación de control Carl Sagan y por un pequeño vehículo todoterreno comandado desde Tierra. Al vehículo todoterreno se le dio el nombre de Sojourner en honor a Sojourner Truth una mujer afroamericana que luchó por los derechos civiles de su gente y de la mujer.

El Pathfinder entró a la órbita marciana a una velocidad de 26.000 Km/h, y desaceleró usando una combinación de frenos, paracaídas y retrocohetes. Descendió a través de la tenue atmósfera marciana, golpeó el suelo a una velocidad de 72 Km/h con la ayuda de bolsas infladas y rebotó 16 veces hasta detenerse. Inmediatamente el Pathfinder desplegó sus equipos, se le dio la orden al Sojourner de comenzar la exploración y en pocas horas los científicos en este planeta estabamos admirando las primeras imágenes de este espectáculo planetario sin precedentes.

El esfuerzo requerido para colocar un instrumento en la superficie marciana es colosal. Los cálculos de las órbitas planetarias, las complicaciones técnicas de lanzar un cohete de 712 kilogramos, la transmisión de comandos a la nave espacial a más de 200 millones de kilómetros de distancia, la respuesta de los computadores e instrumentos a bordo del robot, y cientos o miles de detalles más hacen de estos proyectos grandes retos y grandes logros para toda la humanidad. Basta con un error en un solo byte de los varios millones de bytes en un programa de computador o que un pequeño tornillo no quede bien ajustado para arruinar completamente la misión. Es maravilloso ver las imágenes de Marte y los resultados científicos después de tantos detalles que pueden fallar. Este tipo de proyectos es de alto riesgo y no siempre las cosas salen como se han planeado. La misión espacial rusa 'Mars 96' por ejemplo se perdió al momento de ser lanzada al espacio el 17 de noviembre de 1996 y la nave 'Mars Observer' perdió contacto con Tierra momentos antes de llegar a Marte en agosto de 1993.

Instrumentos a bordo del Pathfinder

El Pathfinder cuenta con tres instrumentos para investigar la superficie del planeta: la estereocámara IMP con filtros espectrales (Imager for the Mars Pathfinder), el espectrómetro APXS de partículas alfa, protones y rayos x (Alpha Proton X-ray spectrometer) y el paquete de instrumentación ASI/MET para estudiar la meteorología y la estructura atmosfÈrica (Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Package). Los datos generados por estos instrumentos permitirán hacer un estudio detallado de las condiciones planetarias, la química de la superficie, la petrología de los suelos y rocas, las propiedades magnÈticas y mecánicas del suelo y el polvo, y una variedad de investigaciones sobre la atmósfera y la dinámica de la órbita de Marte.

El instrumento IMP consiste de una cámara CCD con dos canales y un sistema de filtros que se pueden cambiar mecánicamente. La cámara está montada en un mástil de 1 m de altura en la estación Sagan. Como parte de este módulo tambiÈn se ha incluido un experimento de propiedades magnÈticas consistente en imanes permanentes instalados en la base. Se planea monitorear la cantidad de material ferromagnético acumulado en estos imanes a lo largo de la misión.

La composición química de los minerales en la superficie se obtiene bombardeándolos con una fuente alfa radiactiva y observando las partículas alfa dispersadas, y los protones y rayos X producidos durante la irradiación. El proceso analítico se basa en tres tipos de reacciones: dispersión elástica de partículas alfa por núcleos, reacciones nucleares alfa-protón en elementos livianos y excitaciones atómicas producidas por las partículas alfa con la subsiguiente emisión de rayos X. El espectro de energías de los productos de estas reacciones depende de la constitución química del material bajo estudio y por lo tanto su medición puede ser usada para inferir la abundancia relativa de elementos. Esta es la tarea del instrumento APX que viene montado en una cabeza robótica en la parte externa de la base del Sojourner lo cual le permite acomodarse de frente a la muestra.

El equipo ASI/MET adquiere información atmosfÈrica durante el descenso de la sonda y durante el resto de la misión. La instrumentación consiste de sensores de presión, viento y temperatura. La dirección y velocidad del viento se obtienen mediante la medición de la temperatura de dispositivos compuestos de seis alambres calientes distribuidos uniformemente en la parte más alta del mástil.

Resultados científicos del Pathfinder.

Los minerales encontrados en la superficie de Marte tienen mucho en común con los de la Tierra. Los espectros de la luz reflejada (figura 2) tomados por el IMP revelan la existencia de minerales con hierro encontrados en rocas ígneas de color rojo opaco, mientras que las zonas con polvo (rojo brillante) muestran regiones afectadas por la erosión. El doblez en la forma del espectro está relacionado con la abundancia y el tamaño de partículas de hierro en granos de la corteza.

Se encuentran dos grandes clases de minerales con hierro: aquellos que ocurren en rocas ígneas como el piroxano que presentan un espectro plano y refleja una pequeña fracción de luz. En el segundo grupo se encuentran los materiales férricos que ocurren como productos de la erosión y del desgaste de las rocas a la interperie. Estos materiales tienden a reflejar las longitudes de onda larga y absorber las longitudes de onda corta, por eso el color rojo brillante.

Los científicos del JPL usaron las imágenes recogidas por las cámaras IMP para hacer un inventario de las rocas y los suelos que son interesantes para analizar. En este proceso se identificaron unas cuantas rocas como candidatas para ser exploradas por los espectrómetros del APXS y se les dio nombres algo banales como Yogi, Barnacle Bill, Cradle, etc. (figura 3).

Dos de estas rocas (Yogi y Barnacle Bill) ya han sido estudiadas en detalle. Yogi contiene un recubrimiento expuesto a la intemperie y las más pequeñas como Barnacle Bill y Cradle son muestras típicas de rocas poco afectadas por la intemperie. Durante el camino hacia Yogi el Sojourner escarbó el terreno a su paso dejando huellas de varios centímetros de profundidad. En una de sus vueltas la ruedas del vehículo dejaron al descubierto un material blanco cuyo espectro es similar al de otras rocas y se encuentra abundantemente en el sitio de exploración.

El análisis de abundancias químicas relativas (Mg/Si y Al/Si) realizados por el APXS revelan que la composición de las rocas en Marte es más parecida de lo que se esperaba a la de rocas en la Tierra. Yogi tiene una composición representativa así: O (44.6%), Si (23.8%), Fe (10.7%), Al (6.0%), Ca (4.2%), Mg (3.8), Na (1.9%), S (1.7%), K (0.9%), P (0.9%), Cl (0.6%), Ti (0.5%) y Mn (0.4%). Las fracciones son porcentajes de peso.

Siguiendo la metodología de clasificación de rocas volcánicas con base en su contenido de alcalinos (Na2O and K2O) y sílice (SiO2) no se puede ignorar completamente la posibilidad de que Yogi y Barnacle Bill sean el resultado de un impacto. Si por el contrario éstas son de origen volcánico entonces Yogi es un basalto y Barnacle Bill es una andesita. El nombre andesita se deriva de Los Andes donde este tipo de lava es común. Los basaltos son las rocas más comunes en nuestro sistema solar, recubriendo la mayor parte de Mercurio, Venus, la Luna, la Tierra y Marte.

El APXS también se usó para analizar muestras del suelo marciano. Resultados preliminares (figura 4) indican una homogeneidad en la composición química del suelo muy probablemente promovida por la actividad de los vientos durante millones de años. Se llegó a este resultado combinando los datos del Vikingo que hizo mediciones a 1.000 km de distancia del sitio donde está el Pathfinder. El polvo marciano es de menor de 50 micras de diámetro, más fino que partículas de talcos. Las tormentas de polvo son fuertes y de antemano se sabía que estas condiciones se podrían presentar. El Hubble hizo una observación de Ares Vallis antes de la llegada del Pathfinder y pudo captar tormentas. Observaciones realizadas durante el período mayo 18 - julio 11 muestran que la cantidad de polvo se triplicó.

Este es apenas el comienzo. Una nueva era de exploración planetaria se inaugura. La importancia de estos eventos planetarios no solamente está en la riqueza científica y el avance de nuestro conocimiento sobre el cosmos. También está en el interés que despierta en la gente y en los jóvenes. Carl Sagan, uno de los científicos que más han contribuido a la exploración planetaria, también tenía muy clara la necesidad de divulgar el conocimiento científico y mostrar la tremenda satisfacción que se experimenta cuando entendemos con el uso de la razón cómo son las cosas y porqué ocurren. Si las imágenes de Marte obtenidas por el Pathfinder o las señales del espacio profundo recogidas por el telescopio Hubble logran motivar a unos cuantos jóvenes, estas misiones seguramente se pueden calificar como exitosas. Sobre todo en nuestras sociedades, donde abundan las supersticiones, los fanatismos y el comportamiento irracional.



Figuras.

Fig. 1. Foto NASA. Atardecer en Marte observado por las cámaras del Pathfinder. La hora indicada es relativa al comienzo del atardecer.

Fig. 2. Foto NASA. El espectro de la luz reflejada es usado aquí para hallar las propiedades de los materiales en la superficie de Marte. Las regiones planas del suelo ('drift') indicada con el número 1 son las más brillantes. Las otras regiones exploradas son el suelo oscuro en la zona Cradle (2), la roca Cradle y el suelo rojo oscuro en la zona Lamb. El brillo reflejado se da relativo a la zona más brillante (1).

Fig. 3: Foto NASA. Esta imagen muestra al Sojourner dispuesto a hacer mediciones de la roca Yogi, señalada en la gráfica por la flecha roja. Las otras dos rocas señaladas en azul son Barnacle Bill y Cradle. Se alcanza a apreciar las huellas dejadas por el Sojourner y en detalle realzado el material blanco que salió a la superficie cuando las ruedas del Sojourner escarbaron el suelo.

Fig. 4. Resultados del análisis de composición del suelo (rotulados A-4, A-5, A-2) comparados a los promedios de suelos analizados por el Vikingo en 1976. Las fracciones se dan relativas al elemento silicio que es el más abundante.  
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