El problema de Voyager 1

En la oscuridad del espacio interestelar, donde el Sol brilla apenas un poco más que las estrellas más brillantes, un robot de la Tierra está en problemas. Voyager 1, que empezó su viaje cuando yo era un niño, hace casi 50 años, tiene un problema informático. Pero Voyager 1 está viva, y los ingenieros se están comunicando con ella. ¿Qué oscuro código están transmitiendo, escrito en una lengua informática casi muerta, que sólo habla uno, tal vez dos, demiurgos del JPL?

La NASA lo anunció a medidos de diciembre: la computadora de V'ger no podía comunicarse adecuadamente con uno de sus subsistemas, encargado de preparar las mediciones de los instrumentos para enviarlos a la Tierra. Como consecuencia de esto, no se están recibiendo datos científicos.

En la Deep Space Network (¡qué nombre!) podemos ver que una de las antenas de Canberra, Australia, está en comunicación con la nave, transmitiendo con una potencia de 99 kilowatts, suficiente para alimentar cien planchas, o dos mil computadoras:

La velocidad de transmisión es increíblemente lenta, dada la inmensa distancia a la que se encuentra:

¡24 mil millones de kilómetros! ¡163 unidades astronómicas! A esa distancia, la transmisión tarda casi un día en llegar. Y un día en volver. ¡Hasta la luz se hace leeeeenta! Llevará tiempo saber si logran reparar el problema, pero estaremos atentos para compartir las novedades. Las Voyager son el primer paso de la humanidad hacia las estrellas, y todavía tienen cuerda para un buen rato. 

Es una buena ocasión para poner Dark Side of the Moon, de Pink Floyd, mirar en la dirección de Ofiuco en la madrugada (donde está Voyager 1) y recordar que el viaje de las Voyager fue extraordinario. Nos reveló un sistema solar al que nos hemos acostumbrado pero que, hasta hace tan poco, era casi desconocido. Desde el confín del reino de los planetas Voyager 1 tomó, el 14 de febrero de 1990, el famoso "retrato de familia", en el que la Tierra aparece como un "punto azul pálido" flotando en un rayo de sol, que inspiró a Carl Sagan algunas de sus mejores líneas. Eclipse, el último tema del disco de 1973, parece hablar premonitoriamente sobre lo que encierra ese punto azul pálido:

All that you touch
And all that you see
All that you taste
All you feel

And all that you love
And all that you hate
All you distrust
All you save

And all that you give
And all that you deal
And all that you buy,
Beg, borrow or steal

And all you create
And all you destroy
And all that you do
And all that you say

And all that you eat
And everyone you meet
And all that you slight
And everyone you fight

And all that is now
And all that is gone
And everything under the sun is in tune
But the sun is eclipsed by the moon
 

¿V'ger vuelve a casa?

"V'ger must evolve. Its knowledge has reached the limits of this universe and it must evolve."
Spock, Star Trek: The Motion Picture

Leí un interesante paper sobre las mediciones de nuestra primera exploración directa del medio interestelar: las que llevan a cabo sondas Voyager. Llevan ya 10 años de exploración fuera del sistema solar, y siguen midiendo y midiendo en un milagro de ingeniería sin precedentes. Fui al sitio de las Voyager en el JPL, donde siempre hay novedades y cosas interesantes para ver. Al pie de la página aparecía la distancia de Voyager 2 a la Tierra, y me quedé boquiabierto:

¡Se estaba acercando! ¿Estaba volviendo a la Tierra, como V'ger en la película de Star Trek? ¡A correeeer! 

Me fui entonces a Horizons, el sistema de efemérides del JPL, que se puede usar libremente y es extraordinario (permite aterrizar un robot en otro planeta con precisión de metros, imaginensé). Revisé la distancia a ambas Voyager y efectivamente se estaban acercando. Pero cuando grafiqué la distancia a la Tierra desde el lanzamiento allá en el lejano 1977 me di cuenta de lo que pasaba:

Aquí puse la distancia en función del tiempo, y vemos que todos los años hay unos meses durante los cuales se acercan. No es que están volviendo: ¡es el movimiento de la Tierra en su órbita! Las Voyager se mueven rápido en el espacio interplanetario (están escapando del Sol, después de todo), pero la Tierra también. Así que durante una parte de nuestra órbita somos nosotros los que nos acercamos a ellas.

En el gráfico de la distancia las dos naves parecen tener las mismas fluctuaciones, con Voyager 2 alejándose más lentamente en promedio. Una vez que entendí lo que pasaba, esto también me pareció raro, porque Voyager 1 se aleja en la dirección de Ofiuco, mientras que Voyager 2 tomó una trayectoria mucho más divergente de la eclíptica, actualmente en el Pavo. Pero, después de todo, ambas exploraron Júpiter y Saturno con poca diferencia, saliendo de la heliósfera más o menos por el mismo lado. Así que las velocidades de ambas, relativas a la Tierra, no son tan diferentes. Un gráfico detallado de la tasa de alejamiento muestra la pequeña diferencia (y el pequeño desfasaje entre ambas):

 

 

El paper que me interesó es Persistent plasma waves in interstellar space detected by Voyager 1, de
Koch Ocker et al., Nature Astronomy 5:761-765 (2021). Allí muestran la existencia de unas oscilaciones de la densidad del plasma que forma el medio interestelar a lo largo de unas 10 unidades astronómicas (1500 Mkm). El origen de estas pequeñas oscilaciones es desconocido, y seguramente futuras exploraciones del medio interestelar, ya sea de las Voyager como de otros robots, permitirán ir entendiéndolas mejor.  

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El mismo día que escribí esta nota, hace un par de semanas, a la noche me llegó el aviso de una nota similar en EarthSky. Por si quieren leerla: Why are the Voyager spacecraft getting closer to Earth?

La botella es el mensaje

Acaban de cumplirse 40 años de que leí en la primera página de La Prensa, en los quinchos de Muni mientras mi papá preparaba el asado, la noticia del lanzamiento de la Voyager 2. Una foto borrosa del cohete Titán despegando con el robot en la gruesa punta. El viaje de las Voyager fue extraordinario, nos reveló un sistema solar al que nos hemos acostumbrado pero que, hasta hace tan poco, era casi desconocido. Y desde el confín del reino de los planetas Voyager 1 tomó, el 14 de febrero de 1990, el famoso "retrato de familia", en el que la Tierra aparece como un "punto azul pálido" flotando en un rayo de sol, que inspiró a Carl Sagan algunas de sus mejores líneas. En el reciente documental The farthest vemos a Sagan en una conferencia de prensa comentando la imagen y su valor alegórico acerca de la condición humana. Y a continuación, en lugar de poner el famoso texto de Pale Blue Dot, enganchan con Eclipse, del disco Dark Side of the Moon de Pink Floyd, un tema de 1973 que parece hablar premonitoriamente sobre lo que encierra ese punto azul pálido:

All that you touch
And all that you see
All that you taste
All you feel

And all that you love
And all that you hate
All you distrust
All you save

And all that you give
And all that you deal
And all that you buy,
Beg, borrow or steal

And all you create
And all you destroy
And all that you do
And all that you say

And all that you eat
And everyone you meet
And all that you slight
And everyone you fight

And all that is now
And all that is gone
And everything under the sun is in tune
But the sun is eclipsed by the moon

Verdaderos sueños de cualquier ingeniero, las Voyager siguen funcionando sin mantenimiento alguno 40 años después de lanzadas al hostil espacio exterior. Voyager 1 ya transita el medio interestelar, habiendo salido de la burbuja del viento solar en 2012. Voyager 2 lo hará pronto. La Deep Space Network se comunica con ambas casi a diario, para recibir las mediciones que nos envían de su viaje interestelar. En unos 10 años ya no tendrán electricidad suficiente para sus instrumentos y se apagarán definitivamente. Pero sus cuerpos metálicos, y los discos con saludos e imágenes de la Tierra que llevan a bordo, están destinados a durar muchísimo tiempo. Son ya verdaderos objetos arqueológicos, testimonios de nuestra existencia que sobrevivirán, no sólo a la humanidad, sino a nuestra propia estrella. Es bueno saberlo. La botella es el mensaje.

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La captura de pantalla de la Deep Space Network, que muestra la antena 63 de Madrid recibiendo medio nano-nanowatt, a 159 b/s, es del 28/8/2017. Las fotos del Family Portrait de la Voyager 1 son de NASA/Voyager 1. Eclipse es de Pink Floyd/Roger Waters. Recomiendo no sólo The farthest, de PBS, sino también el video más cortito que lo acompaña, Second Genesis, sobre Encélado y la posibilidad de vida extraterrestre que encierra.

En The farthest se ve un sketch de Saturday Night Live donde Steve Martin revela el mensaje que llega de vuelta de los extraterrestres que recuperan una Voyager: Send more Chuck Berry.

La Cenicienta

El fin de semana pasado me subí al tanque de agua para fotografiar la hermosa conjunción de la Luna, Mercurio y Saturno. En este blog somos fans de las conjunciones planetarias, así que no me la podía perder. Bastante más alto lucía brillantísimo Venus. Así se veía el conjunto. Click en la foto para verla más grande, vale la pena.


Mercurio está arriba y a la izquierda de la Luna, y Saturno a la derecha. La Luna tenía apenas dos días de creciente, así que era delgadísima. El atardecer era espléndido, así que me quedé un buen rato encaramado, esperando que el conjunto bajara sobre los cerros, para poder sacar esta otra foto:

Me encanta. Parece una carita sonriente. Además vemos, en la Luna, la parte nocturna, la parte no iluminada por el Sol. Esta luz cenicienta es preciosa cuando la Luna tiene no más de 3 días alrededor de la luna nueva. También es luz del Sol, como la que ilumina la parte brillante. Pero no directa: es la luz reflejada por la Tierra. Las fases de la Luna y de la Tierra son opuestas, así que cuando en la Tierra vemos la Luna cerca de la fase nueva, desde la Luna la Tierra se ve casi llena, y muy brillante. Esa luz ilumina la noche lunar, y vemos su reflejo. El fenómeno fue explicado satisfactoriamente por primera vez por Leonardo da Vinci. En inglés dicen que es "la luna nueva en brazos de la vieja".

Ya era casi de noche cuando tomé esta foto, y se veían las estrellas. Así que aproveché para toma esta otra, con Escorpio a la izquierda (y Venus) y Ofiuco, el Encantador de Serpientes, ocupando la mayor parte del campo. Quise tomarla porque ahí, donde marqué, está Voyager 1, a 126 unidades astronómicas de nosotros, unos increíbles 19 mil millones de kilómetros, escapándose del Sol.

Quería tomar esta foto (aunque naturalmente Voyager no se ve) porque la sonda estuvo recientemente en las noticias: según mediciones realizadas recientemente, Voyager 1 se encuentra desde hace un año en el espacio interestelar. ¿Qué es esto? Bueno, si uno empieza a alejarse de una estrella, al principio permanece dentro de su viento estelar, una tenue corriente de materia que las estrellas expulsan y que forma una especie de burbuja a su alrededor. Esta burbuja no se diluye lentamente fusionándose con las de las demás estrellas, sino que se acaba de golpe, en una transición brusca a partir de donde comienza el medio interestelar. Esa frontera es la que atravesó Voyager 1. Esto no es lo mismo que haber "salido del sistema solar" que es lo que lamentablemente reprodujeron todos los medios periodísticos a pesar de que no estaba dicho en la comunicación oficial, y que no significa nada. De hecho millones de cometas del sistema solar están aún más lejos, en órbita alrededor del Sol. Pero es un evento destacable. Yo escribí sobre el asunto un año antes todavía, ya que era inminente. La nota está acá, y los invito a revisarla, incluyendo una sencilla demostración casera de la frontera que cruzó la Viajera. Sólo agregaré que la estrella ζ (dseta) Ophiuchi con la que está ilustrada esa nota también está en la foto.

El planeta X

La semana pasada hablábamos de los robots Voyager alejándose de nuestro sistema planetario, viajando entre las estrellas. Pero, ¿realmente no hay más planetas en esas inmensas lejanías? ¿No podrán encontrarse con el famoso planeta X, que alguna vez tuvo una presencia prominente en círculos astronómicos? Todavía se lo menciona, pero sobre todo en contextos apocalípticos que son pura charlatanería (como el del año que viene, vayan preparándose).

Desde que William Herschel descubrió Urano en el siglo XVIII siempre quedó la duda: ¿habría más planetas? El descubrimiento de Neptuno era inevitable, como ya contamos: había peculiaridades en la órbita de Urano que requerían la existencia de otro planeta. Neptuno eliminó casi todas la irregularidades, pero no todas. Parecía que el descubrimiento de un décimo planeta era cuestión de tiempo. Otro día contaré de Percival Lowell, Clyde Tombaugh y el descubrimiento de Plutón, que no fue fruto de la inevitabilidad de un cálculo sino de una búsqueda sistemática. Y tal vez de Mike Brown y el enjambre de objetos trans-neptunianos que forman el cinturón de Kuiper, y que son la familia de Plutón. Pero ni Plutón ni ningún objeto del cinturón de Kuiper son el planeta X: son muy pequeños, no podrían explicar las irregularidades en la órbita de Urano.

¿Y entonces? ¿Existe un planeta grande en los confines del sistema solar? Un famoso astrónomo y matemático argentino trabajó mucho en el problema de la existencia del planeta X. Murió hace poco, en 2009, a los 91 años. El gran público no lo recuerda y es una verdadera lástima. Se llamaba Zadunaisky, había sido discípulo del excelente matemático italiano Beppo Levi, que emigró a la Argentina huyendo de las persecuciones antisemitas en la Italia fascista. Zadunaisky fue pionero del cálculo numérico y su aplicación a la mecánica celeste. Calculó la órbita de Febe (novena luna de Saturno), la de los primeros satélites artificiales durante sus varias estadías en Estados Unidos, la del cometa Halley en su paso de 1986. Fue uno de los científicos que se exiliaron en 1966, tras la infame Noche de los Bastones Largos. Era una eminencia en Harvard y en Goddard pero siempre volvió, y vivió sus últimos años en la Argentina. Cuando yo era estudiante en el Balseiro mis compañeros de ingeniería nuclear tuvieron la suerte de tenerlo como profesor invitado, y aprendieron el método de Runge-Kutta en medio de anécdotas sobre la órbita del cometa Halley. Recuerdo que en los recreos nos hablaba de recientes desarrollos en la búqueda del planeta X mientras tomábamos el "café" de Clementina en Aulas Nuevas. Mientras rebuscaba la bibliografía para escribir esta nota encontré, por ejemplo, un artículo publicado en Celestial Mechanics pocos años después, en 1991, con un cálculo hecho en La Plata (usando los métodos de Zadunaisky) mostrando que era posible un planeta casi tan grande como la Tierra a menos de 50 UA (poco más allá de Plutón). Todavía no se había descubierto ningún otro objeto del cinturón de Kuiper (aparte de Plutón, claro).

Bueno, ¿y? ¿Existe o no existe? No, no. Era un fantasma, así como las supuestas irregularidades de la órbita de Urano. Cuando Voyager 2 pasó junto a Neptuno en 1989 los astrónomos pudieron usar la trayectoria de la sonda para calcular con mucha precisión la masa del gigante. Resultó que había un 0,5% de diferencia con la masa que se venía usando hasta ese momento. Cero coma cinco por ciento no parece mucho, pero es el equivalente de la masa del planeta Marte. ¡Es un montón! Con la nueva masa de Neptuno se rehicieron los cálculos de las perturbaciones sobre Urano y las supuestas discrepancias se desvanecieron. No se necesita ningún otro planeta grande en el sistema solar. Más aún, las órbitas de las lejanas sondas Voyager 1 y 2, y de Pioneer 10 y 11 mientras hubo contacto, descartan la existencia del planeta X.

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Notas varias

Zadunaisky se llamaba Pedro Elías, pero todo el mundo le decía Mauricio. Todos, hasta su familia y él mismo. Descubrió que se llamaba Pedro Elías cuando se presentó a hacer el servicio militar y le dieron la libreta de enrolamiento. ¿No es rarísimo? Es una lástima que el asteroide 4617 Zadunaisky tenga el nombre de Pedro Elías, no de Mauricio.

Sobre la masa faltante de Neptuno puede verse el artículo Planet X - No dynamical evidence in the optical observations, de Myles Standish (Astronomical Journal, 1993).

El mismo Standish dice en un trabajo posterior que, si bien las órbitas de Urano y Neptuno ya no presentan problemas, la de Plutón sí. Lo que pasa es que se lo ha observado durante una fracción muy pequeña de su órbita y la incerteza en sus parámetros todavía es grande. A medida que New Horizons se acerque a Plutón se requerirán y se harán más mediciones para mejorar el cálculo. A partir de HOY New Horizons será la nave más cercana a Plutón (record hasta ahora detentado por Voyager 2). Llegará al sistema de Plutón el 14 de julio de 2015. Attenti.

To boldly go...

El domingo 21 de agosto de 1977, en los quinchos del club Muni, leí emocionado la noticia del lanzamiento de la sonda Voyager 2, que comenzaba su Gran Tour del Sistema Solar. Ilustraba la noticia una foto borrosa de un cohete rugiente en medio de una nube de combustibles quemados. Tenía 12 años. Mi colección de recortes astronómicos y de exploración espacial comienza en diciembre de 1977, sospecho que disparada por la curosidad que me produjo el viaje de las Voyager (Voyager 1, gemela de Voyager 2, despegó un par de semanas más tarde).

En esa época nos enterábamos de estas cosas al día siguiente. Hoy es distinto, claro. Hoy mismo, por ejemplo, hoy sábado 26 al mediodía, podremos ver en directo por la Web el lanzamiento de Curiosity, el nuevo robot (éste no es un robotito) que va a explorar Marte. Y podemos seguir casi en tiempo real la exploración de planetas, asteroides, cometas, lunas... Durante años seguí como pude las peripecias de las Voyager. Las fotos en el diario eran patéticas, y no había muchas otras fuentes de información. Pero ¡ah! la revista de la National Geographic Society traía increíbles imágenes a todo color de las hipnóticas nubes de Júpiter, de sus satélites que de golpe se convirtieron en mundos...

¿Dónde están hoy las Voyager, que completaron su exploración planetaria hace tantos años? Por increíble que parezca, estos dos esforzados robotitos siguen funcionando. Se encuentran hoy en los confines del sistema solar. Voyager 2, 32 años, 4 meses y 17 días después del comienzo de su viaje interestelar, está a 14 mil 900 millones de kilómetros de la Tierra, unas 100 veces la distancia que nos separa del Sol. Los ingenieros del JPL que las construyeron y las operaron todos estos años siguen comunicándose con ellas, usando la enorme antena de Goldstone que hizo la exploración de radar del asteroide 2005 YU55 hace pocos días. El Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Goldstone forma parte de la Red del Espacio Profundo, la Deep Space Network, un nombre que siempre me pareció buenísimo. "¿Donde trabajás?" "En la Red del Espacio Profundo". Guau.

Volviendo a Voyager 2. La semana pasada le pidieron que apagara sus motores primarios y encendiera los de backup. Así se ahorrarán algunos watts de potencia, lo cual le permitirá seguir funcionando bastantes años todavía. El mensaje de radio con las instrucciones, viajando a la velocidad de la luz, tardó más de medio día en llegar a la sonda. Más de un día después los ingenieros recibieron la respuesta, indicando que Voyager 2 había realizado con éxito el cambio de motores. Los motores primarios habían disparado 318 mil veces, se merecían un descanso. Los de backup no habían sido usados nunca jamás durante el vuelo, y funcionaron perfectamente en cuanto los encendieron. El sueño de cualquier ingeniero.

¿Dije, por ahí arriba, viaje interestelar? Sí: viaje interestelar; no fue un error. Habiendo completado su misión primaria de exploración de los planetas gigantes de nuestro sistema solar, ambas Voyager son hoy naves interestelares. Tienen suficiente velocidad para escapar a la poderosa influencia del Sol, y están a punto de salir de lo que podría llamarse la frontera del sistema solar. El viento solar, que arrecia a casi 400 km/s a la altura de la Tierra, va perdiendo fuerza a medida que se aleja del Sol. En algún lugar, empujando contra el tenue gas que llena el espacio interestelar, ¡el viento solar se detiene! Hace más o menos un año Voyager 1 informó que la velocidad radial del viento solar era nula. Cero. Nada. Apenas un chorrito "de costado", probablemente parte de una especie de "cola" formada por el movimiento del Sol en la Galaxia.

Cuando un fluido rápido se propaga en medio de un fluido más lento, eventualmente se detiene. Donde se detiene ocurre algo raro: el fluido sigue llegando desde atrás. De manera que se frena, se amontona, se hace denso y caliente. Se forma una "onda de choque", que en inglés se llama termination shock. Esta onda de choque envuelve la burbuja de viento solar, la heliosfera. La burbuja misma se mueve junto con el Sol alrededor de la Galaxia, empujando el tenue gas interestelar, que forma por delante una bow shock, una estela como la que forma un bote al empujar el agua. Ambas Voyager se encuentran actualmente en esta región intermedia. Hace pocos meses Voyager 1 reportó que estaba encontrando algo inesperado: parece que esta región intermedia, la heliofunda, es una espuma de gases y campos magnéticos que forman una estructura turbulenta. Es como si el sistema solar viajara por la Galaxia envuelto en esos films de burbujitas...

Es bastante fácil hacer una demostración doméstica de lo que le ocurre al viento solar en su batalla perdida contra el medio interestelar. Lo único que se necesita es la pileta de la cocina con un fondito de agua y un chorrito cayendo de la canilla. El agua que cae choca contra la pileta y se expande muy rápido en forma radial, formando una delgada lámina de agua. A medida que se aleja del centro va perdiendo fuerza, hasta que se detiene empujando contra el agua quieta. El agua quieta representa el gas interestelar. El chorrito que se expande es el viento solar. Se puede ver claramente la onda de choque, la termination shock donde se amontona el agua. Es la frontera que atravesaron las Voyager. Lo único que nos falta es el campo magnético del Sol, y además el agua no tiene carga eléctrica, que parece ser lo que forma las burbujas. Pero si aumentamos un poco el caudal del chorro se forma una linda capa turbulenta llena de espuma más allá de la termination shock, donde se mezclan el viento solar y el medio interestelar.

Todas estas fronteras son completamente invisibles en nuestro sistema solar, y hasta hace poco eran conjeturales. Las Voyager las están observando por primera vez con sus intrumentos magnéticos. Pero en otros sistemas, ya sea porque la estrella es súper energética, o porque el medio interestelar es más denso y brilla, pueden verse claramente estas estructuras. La imagen que ilustra la página web de las Voyager está basada en esta observación de la estrella Zeta Ophiuchi hecha por el observatorio espacial WISE. Zeta Oph es una peso pesado, una supergigante azul que está embebida en una densa nube de gas y polvo a través de la cual se mueve a la increíble velocidad de 87 mil kilómetros por hora. La combinación de estas tres cosas contribuye a formar una bow shock visible, una estela de choque densa y brillante que puede ser fotografiada en luz infrarroja.

En pocos años más las dos Voyager habrán cruzado la heliopausa y entrado completamente en el frío espacio interestelar, y seguirán enviándonos sus observaciones, las primeras mediciones directas de toda esta región que, como se imaginarán, es más bien conjetural. Sus pilas nucleares terminarán agotándose allá por el 2025. Pero nada las detendrá. Inexorablemente seguirán viajando entre las estrellas, nuestras primeras exploraciones más allá de los confines del sistema solar. To boldly go where no man has gone before...

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La foto de Z Oph es de NASA/JPL/WISE. La ilustración de la heliosfera está basada en la del JPL, anotada por mí. Las otras ilustraciones son mías. La frase del título y del final es de Star Trek; no acepto responsabilidad por la separación del infinitivo.