Volando por casa

Probando las herramientas de OSIRIS-REx en el camino hacia el encuentro de asteroides

Vicky Hamilton es la jefa del Grupo de trabajo de análisis espectral de OSIRIS-REx.

Cada vez que una nave espacial planetaria gira para tomar una fotografía de la Tierra en su camino hacia un nuevo destino, es un recordatorio de lo espectacular que es el lugar donde se encuentra nuestro planeta. Cuando la misión OSIRIS-REx de la NASA pasó volando por la Tierra en su camino hacia el asteroide Bennu en septiembre de 2017, observamos un planeta cubierto principalmente por agua, cuya atmósfera incluía vapor de agua, dióxido de carbono, ozono y metano. Si fuéramos una especie extraña, podríamos inferir de la temperatura atmosférica y la presencia de agua y dióxido de carbono que la Tierra es un planeta habitable. Por supuesto, no somos una especie alienígena, y ya sabíamos estas cosas sobre la Tierra. ¿Por qué tomarías una nave espacial diseñada para estudiar un mundo distante, lanzarlo en una trayectoria interplanetaria y luego apuntar sus instrumentos a la Tierra?

Como lo hacen muchas naves espaciales, OSIRIS-REx regresó a la Tierra un año después del lanzamiento para una asistencia de gravedad. Para OSIRIS-REx, la asistencia gravitatoria de la Tierra fue una parte crítica del viaje a Bennu, permitiendo a la nave espacial abandonar el plano de la órbita de la Tierra e ingresar al de Bennu para que finalmente podamos encontrarnos con este pequeño fragmento de roca.

El concepto artístico de OSIRIS-REx sobrevolando la Tierra el 22 de septiembre de 2017

El solo hecho de estar en el vecindario no es una razón suficiente para tomar datos sobre la Tierra. OSIRISREx significa Orígenes, Interpretación espectral, Identificación de recursos y Seguridad - Regolith Explorer. La principal prioridad de la misión OSIRIS-REx es devolver una muestra prístina de material carbonoso. Las observaciones de la Tierra no son un requisito de la misión, ni estaban en el plan original de la misión. El equipo científico participó en largas discusiones con el equipo de ingeniería de la nave espacial sobre si podríamos recopilar dichos datos.

Existe una tensión significativa, aunque colegiada y profesional, entre los científicos que desean realizar dichas mediciones y los ingenieros cuyo trabajo es garantizar la salud y la seguridad de la nave. El equipo de ingeniería de la nave espacial era comprensiblemente reacio a agregar cualquier actividad innecesaria antes y durante la maniobra crítica de sobrevuelo a la Tierra para evitar cualquier cosa que pudiera poner en riesgo la llegada de la nave a su destino final.

Vista de OSIRIS-REx MapCam de la Tierra, justo después del sobrevuelo

MapCam de OSIRIS-REx observó el Océano Pacífico a través de filtros de color apenas unas horas después del sobrevuelo, cuando la Tierra llenó su campo de visión. La foto fue tomada el 23 de septiembre de 2017 a las 00:03 desde un rango de 179,000 kilómetros.

Por otro lado, como los científicos que construyeron los instrumentos que realizarán las mediciones en Bennu, no tuvimos la oportunidad de evaluar cómo funcionaron los instrumentos después del lanzamiento. También queríamos verificar la alineación de los instrumentos entre sí y con la nave espacial para poder corregir cualquier diferencia en los puntos. Juntos, los científicos e ingenieros de OSIRIS-REx elaboraron un plan que permitiría un paso seguro por la Tierra, seguido poco después por una oportunidad de activar los instrumentos científicos y recopilar datos sobre nuestro planeta natal.

INSTRUMENTOS DE OSIRIS-REX

Nuestra nave espacial lleva cinco instrumentos científicos para mapear la topografía, geología, mineralogía y composición química del asteroide, proporcionando contexto para la muestra devuelta y datos de comparación para asteroides similares. También identifican los peligros para la nave espacial y el sistema de muestreo y ayudan a determinar la ubicación óptima para recoger una muestra.

Dos de los 5 instrumentos no funcionaron durante la asistencia de gravedad de la Tierra. El espectrómetro de imágenes de rayos X Regolith (REXIS), que mapeará los elementos químicos en Bennu, se lanzó con una cubierta que aún no se había abierto. El altímetro láser OSIRIS-REx (OLA) informará nuestra comprensión de la forma detallada de Bennu; debe estar a 7 kilómetros (4 millas) de su objetivo para recopilar datos. Desafortunadamente para el equipo de OLA, la distancia de vuelo de la Tierra de 17,237 kilómetros (10,711 millas) era demasiado grande.

INSTRUMENTOS DE OSIRIS-REX

La cubierta de instrumentos de OSIRIS-REx está llena. La mayoría son instrumentos científicos, incluidos OCAMS, OLA, OTES, OVIRS y REXIS, pero TAGCAMS y LIDAR son para fines de navegación.

El conjunto de cámaras OSIRIS-REx (OCAMS) tomará imágenes de Bennu para que podamos identificar cualquier característica geológica en el asteroide, así como realizar un inventario detallado de peligros, como rocas, que podrían impedir el muestreo exitoso. Las observaciones de la Tierra brindaron la oportunidad de caracterizar el rendimiento de las cámaras y de ejercer las técnicas de procesamiento de imágenes para el mosaico y la producción de imágenes en color.

Como complemento de las imágenes visuales, el espectrómetro OSIRIS-REx visible e infrarrojo (OVIRS) y el espectrómetro de emisión térmica OSIRIS-REx (OTES) cartografiarán la mineralogía y la química de Bennu. OVIRS y OTES observaron el espacio profundo durante nuestro crucero a Bennu. Sin embargo, el espacio no tiene características espectrales, por lo que esos datos solo muestran que los instrumentos están operativos. Para comprender realmente la calidad posterior al lanzamiento de los datos espectrales (calibración radiométrica y espectral) y las alineaciones de los instrumentos (a la nave espacial y entre sí), necesitamos observar un objeto que tenga características espectrales. El mejor objeto extendido a lo largo de nuestro camino hacia Bennu fue la Tierra porque ya sabíamos lo que deberíamos ver. En última instancia, esa fue la justificación para capturar datos en la Tierra después de nuestro sobrevuelo de asistencia por gravedad.

Ciencia post-sobrevuelo

Programamos nuestras observaciones de la Tierra y la Luna durante 4 períodos diferentes a lo largo de los 10 días posteriores al sobrevuelo, en parte para protegernos contra cualquier anomalía que pudiera impedir realizar observaciones inmediatamente después del acercamiento más cercano a la Tierra.

La asistencia de la gravedad fue sin problemas. Unas horas después de nuestro acercamiento más cercano a la Tierra, el conjunto de cámaras y los espectrómetros se encendieron para calentarse. Todos los instrumentos están fijados a la nave espacial, no son direccionables, por lo que la nave espacial tiene que moverse para apuntarnos a diferentes lugares de la Tierra.

Comenzando unas 6 horas después del sobrevuelo, la nave exploró de este a oeste y de norte a sur a través de la Tierra. Llamamos a estas observaciones "EGA + 1", donde "+1" significa el primer día después de la asistencia gravitatoria de la Tierra. Para EGA + 1, la nave espacial todavía estaba bastante cerca de la Tierra (aún dentro de la órbita de la Luna), y la Tierra llenaba completamente los campos de visión de los espectrómetros. Los movimientos de escaneo nos permitieron usar la extremidad o el "borde" de la Tierra (que es muy diferente a mirar el espacio profundo) para verificar si el apuntar de cada instrumento era consistente con lo que se midió antes del lanzamiento y también para comparar los apuntamientos de los instrumentos. instrumentos entre sí. No observamos la Luna porque, aunque podíamos ver la Tierra casi completamente iluminada, la Luna era solo una media luna delgada.

Cuando la Tierra retrocedió de la vista, hicimos observaciones adicionales en los días EGA + 3, EGA + 6 y EGA + 10. Cuando EGA + 3 comenzó, estábamos a 1.2 millones de kilómetros (750,000 millas) de la Tierra, y pudimos ver el lado de la Luna iluminado por el sol. La Luna estaba lo suficientemente lejos como para que solo llenara del 15 al 25 por ciento de los campos de visión de nuestros instrumentos, lo que debilitaba la señal. Aún así, estas observaciones nos permitieron verificar las alineaciones y el rendimiento de los instrumentos OCAMS, OVIRS y OTES.

OCAMS puede tomar fotos de las estrellas durante nuestro crucero a Bennu para demostrar que está funcionando bien, pero las observaciones de la Tierra le permitieron a OCAMS ejercer completamente los filtros de color de MapCam. Nuestra perspectiva de la Tierra después del sobrevuelo fue dominada por el Océano Pacífico. Al observar la Tierra, OCAMS vio lo que reconocemos en las imágenes satelitales meteorológicas diarias como agua azul profundo, toques de masas de tierra marrón o verdosa alrededor de los bordes, y contrastando nubes de vapor de agua blancas y brillantes. De hecho, las nubes de la Tierra son tan brillantes que desafiaron nuestra cámara porque diseñamos OCAMS para que sea lo suficientemente sensible como para tomar fotos de Bennu, cuya superficie oscura refleja como máximo el 4 por ciento de la luz solar entrante. Aunque utilizamos exposiciones cortas, partes de algunas de las imágenes de la Tierra de OCAMS están sobreexpuestas. Ellos son, sin embargo, hermosos.

OVIRS medirá cómo Bennu refleja las longitudes de onda de la luz solar visibles e infrarrojas cercanas (vea la barra lateral). Al igual que OCAMS, OVIRS fue diseñado para mirar a la oscuridad Bennu, no a la Tierra brillante, por lo que ordenamos a OVIRS que tomara espectros rápidamente. Aunque OVIRS pudo haber detectado minerales en la superficie de la Tierra, nuestro campo de visión a la medianoche UTC contenía casi por completo el océano. Nuestros datos de EGA + 1 muestran principalmente los componentes atmosféricos: vapor de agua y dióxido de carbono.

LÍNEAS ONDULADAS

OVIRS genera espectros, medidas de cuánta longitud de onda de la luz solar refleja un punto. OVIRS mide la luz solar reflejada en longitudes de onda de 0,4 a 4,3 micrómetros (la luz visible se extiende de 0,4 a 0,7 micrómetros). En esta región, los materiales inorgánicos y las moléculas orgánicas absorben preferentemente algunas de las longitudes de onda de la luz. Estas absorciones crean inmersiones en los espectros. Los espectroscopistas leen esas inmersiones para determinar qué minerales o químicos están presentes. Debido al punto de vista del Pacífico durante el sobrevuelo, nuestros espectros EGA + 1 muestran principalmente características espectrales que indican la presencia de agua y dióxido de carbono. A diferencia de OVIRS, OTES no necesita luz solar para funcionar; toma lecturas espectrales en longitudes de onda infrarrojas térmicas, donde los materiales irradian calor, de 5,6 a 100 micrómetros. Como OVIRS, Las OTES midieron las absorciones debidas al vapor de agua y al gas de dióxido de carbono, y también observamos absorciones debidas al ozono y al metano en los espectros. Las profundidades y los anchos de las características de absorción podrían indicarnos la abundancia de cada gas atmosférico, pero extraer esa información requiere un modelo de computadora que no planeamos hacer porque no es aplicable a la ciencia de Bennu. OTES también es sensible a la temperatura, y la luminosidad (intensidad) de diferentes ubicaciones en la Tierra aumenta o disminuye con la temperatura. En las longitudes de onda en las que pudimos ver la superficie del océano (de 8 a 9,5 micrómetros), las OTES midieron temperaturas de aproximadamente 13 grados Celsius (55 grados Fahrenheit). En otras longitudes de onda donde hay absorciones atmosféricas, medimos las temperaturas más bajas en la atmósfera.

INSET: El instrumento OTES recopiló sus datos espectrales casi al mismo tiempo que MapCam tomó esta foto. Los círculos amarillos, cada 800 kilómetros (500 millas) de diámetro, muestran las ubicaciones y los tamaños aproximados de los puntos explorados en la Tierra por OTES para producir estas curvas.

OTES medirá la energía emitida por Bennu en longitudes de onda infrarrojas térmicas (ver barra lateral). Puede detectar una amplia gama de minerales, así como proporcionar información sobre la temperatura de la superficie del asteroide. La temperatura de la superficie, y la rapidez con la que cambia de los días de asteroides a las noches, puede informarnos sobre el tamaño de las partículas en la superficie superior. La atmósfera de la Tierra también tiene características espectrales en esta región de longitud de onda de vapor de agua, dióxido de carbono, ozono y gases de metano, lo que significa que OTES también vio características espectrales que no esperamos ver en Bennu.

VISTA DE OSIRIS-REX POLYCAM DE LA TIERRA JUSTO DESPUÉS DEL SOBREVUELO

Cuando MapCam pudo ver toda la Tierra, la PolyCam de mayor resolución solo vio una parte de la Tierra. Esta imagen muestra partes de los territorios del noroeste de Canadá, incluida la derecha del lago Great Bear y debajo del centro. Las nubes altas proyectan sombras, borrando la distinción entre el cielo nublado arriba y la superficie cubierta de nieve abajo. La foto fue tomada el 22 de septiembre de 2017 en un rango de 161,000 kilómetros.

 Bennu desde todos los ángulos, 2 de noviembre de 2018

NASA / GSFC / UA

BENNU DESDE TODOS LOS ÁNGULOS, 2 DE NOVIEMBRE DE 2018

Cuando este artículo fue publicado, OSIRIS-REx se acercaba a su objetivo de asteroides, Bennu. Estas fotos fueron tomadas con PolyCam el 2 de noviembre de 2018. En general, el asteroide tiene un tono muy oscuro, pero estas imágenes tempranas muestran manchas oscuras y rocas brillantes, lo que sugiere una diversidad colorida de la superficie que pronto será revelada por MapCam. NOTA: La versión impresa de este artículo muestra dos fotos fijas de Bennu tomadas el 1 y el 2 de noviembre.

Los científicos que estudian el clima de la Tierra utilizan medidas de detección remota similares a éstas para rastrear los cambios en la distribución espacial y la abundancia de constituyentes atmosféricos a lo largo del tiempo. Tanto para OVIRS como para OTES, utilizamos con éxito las características espectrales conocidas de la atmósfera de la Tierra para verificar nuestro rendimiento radiométrico y espectral. Debido a que nuestros espectrómetros están diseñados para medir las características espectrales de minerales y sustancias orgánicas que normalmente tienen bandas de absorción mucho más amplias que los gases atmosféricos, no podemos usar nuestros datos para decir muchas cosas nuevas sobre el clima de la Tierra.