JUICE: Exploración de las lunas jovianas

Ilustración artística de la sonda JUICE en el sistema de Júpiter. Crédito: ESA/ATG medialab.

Júpiter es el modelo de los planetas gigantes del Sistema Solar y de los numerosos exoplanetas gigantes que orbitan otras estrellas. Además, los diversos satélites galileanos de Júpiter –tres de los cuales se cree que albergan océanos internos– son centrales para comprender la habitabilidad de los mundos congelados.

La sonda JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) realizará investigaciones detalladas de Júpiter y su sistema con todas sus interrelaciones y complejidad, con especial énfasis en Ganímedes como un cuerpo planetario y hábitat potencial. Las investigaciones de Europa y Calisto completarán una imagen comparativa de las lunas galileanas.

Entender el sistema joviano y aclarar su historia, desde su origen hasta la posible aparición de ambientes habitables, nos dará una mejor idea de cómo se forman y evolucionan los planetas gigantes de gas y sus satélites. Además, la misión debería arrojar nueva luz sobre el potencial para el surgimiento de vida en sistemas exoplanetarios similares al de Júpiter.

La misión JUICE abordará dos temas del programa de Visión Cósmica de la ESA: ¿Cuáles son las condiciones para la formación de planetas y la aparición de vida?, y ¿cómo funciona el Sistema Solar?

Objetivos científicos

El enfoque de JUICE es caracterizar las condiciones que podrían haber llevado al surgimiento de ambientes habitables entre los satélites jovianos congelados, con especial énfasis en los tres mundos con océanos: Ganímedes, Europa y Calisto. Ganímedes es identificado para una investigación detallada dado que proporciona un laboratorio natural para el análisis de la naturaleza, evolución y potencial de habitabilidad de los mundos congelados en general, pero también debido al papel que juega dentro del sistema de satélites galileanos, y sus interacciones únicas magnéticas y de plasma con el ambiente joviano circundante.

Los objetivos científicos principales para Ganímedes y –en menor medida– Calisto son:

• Caracterización de las capas de los océanos y detección de reservas subsuperficiales de agua.
• Mapeo topográfico, geológico y composicional de la superficie.
• Estudio de las propiedades físicas de las cortezas de hielo.
• Caracterización de la distribución de masa, dinámica y evolución de su interior.
• Investigación de la exosfera.
• Estudio del campo magnético intrínseco de Ganímedes y sus interacciones con la magnetosfera de Júpiter.

Para Europa, el enfoque está en la química esencial para la vida, incluyendo las moléculas orgánicas, y comprender la formación de las características superficiales y la composición del material que no es hielo de agua. Además, JUICE proporcionará el primer sondeo subsuperficial de la luna, incluyendo la primera determinación del espesor mínimo de la corteza de hielo sobre las regiones activas más recientes.

La misión también caracterizará la diversidad de los procesos en el sistema de Júpiter, lo que también puede ser necesario para proporcionar un entorno estable en Ganímedes, Europa y Calisto en escalas de tiempo geológicas. El estudio de la atmósfera joviana se centrará en la investigación de su estructura, dinámica y composición.

JUICE también estudiará el sistema de satélites de Júpiter, sus interacciones con la magnetosfera del planeta, el acoplamiento gravitacional y la evolución a largo plazo de las mareas de las lunas galileanas.

Sonda

El diseño de la nave está relacionado con las grandes distancias al Sol, el uso de energía solar, y el duro entorno de radiación alrededor de Júpiter.

Las inserciones en las órbitas de Júpiter y Ganímedes y la gran cantidad de maniobras de sobrevuelo (más de 25 asistencias gravitatorias y sobrevuelos) requieren que la sonda lleve alrededor de 3.000 kg de propelente químico.

La gran distancia a la Tierra implica que el tiempo de ida y vuelta de una señal sea de hasta 1 hora y 46 minutos, por lo que es necesario la preplaneación cuidadosa y ejecución autónoma de las operaciones de la nave. Adicionalmente, la sonda estará equipada con una antena de alta ganancia de aproximadamente 3 metros de diámetro que permitirá el envío diario de al menos 1,4 Gb de datos desde la nave a la Tierra.

La ubicación de la carga útil toma en cuenta la necesidad de blindaje contra la radiación y el satisfacer los requerimientos de los instrumentos. La misión permanecerá fuera de los cinturones de radiación principales de Júpiter durante la mayor parte de sus operaciones, lo que significa que su blindaje puede ser usado como protección primaria para los componentes electrónicos de a bordo.

Debido al uso de energía solar y la gran distancia al Sol, la sonda requiere paneles solares de gran superficie, de unos 60 a 75 m². Dado que el entorno de radiación es dominado por electrones, los paneles solares pueden ser usados también para proporcionar energía eléctrica.

Instrumentos

Ubicación de los instrumentos dentro de la sonda JUICE. Crédito: ESA/ATG medialab.

La sonda posee 10 instrumentos de última generación más un experimento que usa el sistema de telecomunicaciones de la nave. Esta carga es capaz de abordar todos los objetivos científicos de la misión, desde las mediciones in situ de la atmósfera y entorno de plasma de Júpiter hasta observaciones remotas de las superficies e interiores de Ganímedes, Europa y Calisto.

Los instrumentos y el experimento son los siguientes:

• JANUS: Una cámara óptica para estudiar la morfología y procesos globales, regionales y locales de las lunas, y realizar el mapeo de las lunas de Júpiter.
• MAJIS: Espectrómetro de imágenes hiperespectrales para la observación de las características de las nubes troposféricas en Júpiter y la caracterización del hielo y minerales en las superficies de las lunas congeladas.
• UVS: Un espectrómetro ultravioleta para caracterizar la composición y dinámica de las exosferas de las lunas congeladas, para estudiar las auroras del planeta y para investigar la composición y estructura de la atmósfera superior. Este instrumento también observará ocultaciones estelares.
• SWI: Un instrumento de ondas submilimétricas para investigar la temperatura, composición y dinámica de la estratosfera de y troposfera de Júpiter y las exosferas y superficies de las lunas.
• GALA: Un altímetro láser para estudiar la deformación por mareas de Ganímedes y la morfología y topografía de las superficies de las lunas.
• RIME: Un radar que para estudiar la estructura subsuperficial de las lunas congeladas hasta a 9 km de profundidad.
• J-MAG: Un magnetómetro para caracterizar el campo magnético de Júpiter, su interacción con el campo magnético interno de Ganímedes, y para estudiar los océanos subsuperficiales de las lunas.
• PEP: Un instrumento con sensores para caracterizar el entorno de plasma en el sistema joviano. PEP medirá la densidad y flujos de iones positivos y negativos, electrones, gas neutro exosférico, plasma térmico y átomos neutros energéticos.
• RPWI: Un instrumento de ondas de radio y plasma para caracterizar las emisiones de radio y el plasma del entorno de Júpiter y sus lunas congeladas.
• 3GM: Un instrumento de radio que será usado para estudiar el campo gravitatorio en Ganímedes y la extensión de los océanos internos de las lunas congeladas, y para investigar la estructura de las atmósferas neutras e ionosferas de Júpiter y sus lunas.
• PRIDE: Experimento que usará el sistema estándar de telecomunicaciones de JUICE y la técnica de VLBI (interferometría de línea de base muy larga) para realizar mediciones precisas de la posición y velocidad de la nave para investigar los campos gravitatorios de Júpiter y las lunas congeladas.

El lanzamiento de JUICE está previsto para mayo de 2022, cuando iniciará un viaje de 7,6 años hacia Júpiter. Se espera que la sonda pase 3,5 años estudiando el sistema joviano.

Fuente: ESA Science & Technology