Encélado: la revelación de Cassini

 

 

Aunque esta historia comenzó mucho después, podría haber empezado el 13 de noviembre de 1980, el día en que la sonda Voyager 1 tomó una imagen de Encélado desde una distancia de 202 000 kilómetros. Visto desde allí, el satélite de Saturno era apenas una mota blanca, sin embargo, en uno de sus polos se percibía una suerte de niebla difusa… algo de lo que nadie se percató hasta 35 años después, cuando ya todos sabían lo que estaban buscando.

Según cuenta la anécdota astronómica, Encélado fue uno de los seis satélites de Saturno descubiertos por Sir Frederick William Herschel la noche en que inauguró su célebre telescopio de doce metros, en 1789, y desde entonces es conocido por una llamativa característica: es el cuerpo con mayor albedo (es decir, el más reflectante) de todo el sistema solar.

Aparte de eso, era poco lo que sabíamos sobre él a principios de los ochenta: estimábamos que su diámetro rondaba los 500 kilómetros, teníamos una idea aproximada de su masa y su volumen, sabíamos que su superficie estaba hecha de hielo y conocíamos su órbita con precisión [1]. Ninguno de estos datos hizo de Encélado un objetivo primario de las misiones Voyager —las fotos de su superficie fueron tomadas «de pasada», aprovechando su cercanía en sus tránsitos por Saturno—; sin embargo, cuando la sonda Voyager 2 pasó a 87 000 kilómetros del satélite, en agosto de 1981, las cosas empezaron a cambiar.

Sus imágenes nos revelaron que ciertas zonas de Encélado se hallaban libres de cráteres de impacto y, dado que todos los satélites del sistema solar reciben impactos de asteroides de forma habitual, algo así solo podía explicarse suponiendo que dichos sectores eran recientes. Por otra parte, también se detectaron zonas de su superficie que eran claramente antiguas, una diferencia que condujo a la hipótesis de que Encélado debía ser geológicamente activo.

Fue este descubrimiento el que despertó el interés de los científicos, quienes, al proyectar la misión Cassini dos décadas más tarde, lo incluyeron entre sus objetos de estudio.

 

 

Las rayas del tigre

Tras emplear en dos ocasiones la asistencia gravitatoria de Venus y sobrevolar Júpiter, la sonda Cassini llegó a Saturno el 1 de julio de 2004. A partir del año siguiente —y durante una década— la sonda realizaría un total de veintiún sobrevuelos a Encélado en los que, lentamente, el satélite iría revelando sus secretos.

En su segundo sobrevuelo —E2: 14 de julio de 2005— la sonda descubrió cuatro fosos paralelos en su polo sur (ver Fig. 1). Las grietas tenían unos 130 kilómetros de largo por 2 de ancho, y estaban separadas unos 40 kilómetros. De forma coloquial, se las denominó «rayas de tigre» (tiger stripes) y, aunque no podía saberse con certeza, se estimó que debían tener, al menos, varios cientos de metros de profundidad.

Y eso no fue lo único que descubrió aquel sobrevuelo. Como explica Brian Cox en su magnífico libro Wonders of the Solar System [2]:

Utilizando el espectrómetro infrarrojo integrado en la nave, Porco [la líder del área de imágenes de la misión Cassini] y su equipo descubrieron la primera evidencia directa de actividad geológica debajo de la superficie de esta luna. Las lecturas térmicas tomadas mostraron puntos calientes debajo de las rayas de tigre; la temperatura media de la superficie de Encélado es de alrededor de 75 Kelvin, pero alrededor de las franjas las temperaturas alcanzaron, al menos, los 130 Kelvin. Este fue un descubrimiento sorprendente. El casquete polar sur de Encélado emite más calor que sus regiones ecuatoriales. Como comentó Porco, «sería como descubrir, aquí en la Tierra, que hay más calor procedente de la Antártida que del ecuador».

Carolyne Porco y su equipo acababan de demostrar la hipótesis desarrollada en los ochenta, pero en noviembre de aquel mismo año, Encélado les reveló un nuevo misterio.

 

Cambio de paradigma

Todo comenzó (ahora sí) con una imagen. Esta vez, tomada por la sonda Cassini cuando el Sol se hallaba detrás de Encélado (ver Fig. 2). Gracias a aquel contraste, los astrofísicos pudieron observar un fenómeno asombroso: géiseres gigantescos que emanaban de las rayas de tigre, erupciones de hielo, en lugar de roca. A decir de Brian Cox, lo que esa imagen nos mostró «se ha convertido en uno de los descubrimientos más notables jamás realizados en el sistema solar exterior» [3].

La fotografía de 2005 (una versión en alta resolución de la tomada por la Voyager 1 en 1980) supuso un cambio radical en la evaluación de Encélado y su vínculo con el anillo E de Saturno, en cuya órbita se desplaza (ver Fig. 3). Con el tiempo, gracias a los datos extraídos por la sonda Cassini, se ha logrado demostrar que dicho anillo está compuesto —si no en su totalidad, al menos en su mayor parte— por partículas de hielo cristalizadas tras emanar por los géiseres en forma de vapor de agua. Sin embargo, en esta actividad guiada centraré mi atención en Encélado.

La primera pregunta que se hicieron los astrónomos respecto a sus géiseres fue, ¿de dónde proviene su agua? Durante casi una década, se debatió si ésta emanaba de un lago subterráneo en el polo sur del satélite o de un océano global bajo la corteza del hielo. No fue hasta abril de 2014 que un grupo de investigadores —empleando los datos Doppler de tres sobrevuelos de la sonda Cassini— lograron determinar la presencia de un océano subsuperficial regional bajo una corteza de hielo de entre 30 y 40 kilómetros de grosor. Dos años más tarde, otro estudio demostró que dicho océano no era regional, sino global.

Ahora bien, ¿cómo se explica la existencia de un océano de agua líquida en un satélite ubicado a millones de kilómetros de la zona de habitabilidad del Sol? La respuesta a esta pregunta se halla en las fuerzas de marea.

 

 

Tirones gravitatorios

Para poder explicar este fenómeno es necesario exponer algunas características de Encélado de las que todavía no he hablado.

Encélado orbita Saturno a una distancia de 237 000 kilómetros (es decir, aproximadamente a dos tercios de la distancia Tierra/Luna) y con un período de apenas 32,9 horas… que está sincronizado con su rotación debido a su cercanía al planeta. Además, la excentricidad de su órbita es ocho veces mayor a la de la órbita lunar. Sin embargo, incluso esa excentricidad no es suficiente para que Encélado se vea sometido (por parte de Saturno) a las fuerzas de marea necesarias para producir un «calentamiento de marea»: el tipo de acción gravitatoria responsable, por ejemplo, del vulcanismo del satélite joviano Ío y que podría explicar la presencia de un océano subsuperficial en Encélado [4].

Aunque este misterio aún no ha sido resuelto, las últimas investigaciones sugieren que el calentamiento de marea podría deberse a la suma de la acción de Saturno con la de otro cuerpo cercano.

Encélado está en resonancia orbital 2:1 con Dione, un satélite con una órbita exterior a la suya. Que estén en resonancia 2:1 significa que dos períodos orbitales de Encélado se corresponden con uno de Dione; por lo tanto, cada dos traslaciones en torno a Saturno, Encélado siente el tirón gravitatorio «hacia fuera» del otro satélite [5]. Esta mezcla de tirones gravitatorios hacia el interior y exterior de su órbita es la explicación más plausible desarrollada hasta la fecha del calentamiento de marea necesario para la presencia de su océano subsuperficial.

 

Una misión peligrosa

El descubrimiento de los géiseres de Encélado modificó radicalmente el desarrollo de la misión Cassini. Por una parte (como veremos más adelante), determinó el final de la misma, pero, años antes, condujo a los científicos a tomar una decisión arriesgada. Andrew Cohen la expone muy bien en su libro The Planets [6]:

Pilotada desde casi mil millones de millas de distancia, Cassini fue guiada peligrosamente cerca de los géiseres y, usando su analizador de polvo cósmico [Cosmic Dust Analyser, CDA], fue capaz de tocar las plumas de hielo y recolectar una muestra de una de las erupciones. Como explicó Michele Dougherty, líder científico del Proyecto Cassini, «El sobrevuelo realmente cercano de Encélado, en el que estuvimos a 25 kilómetros de su superficie, probablemente sea lo más cerca que ha estado cualquier nave espacial de un cuerpo planetario, y el equipo de la misión Cassini dijo que nunca lo volvería a hacer porque estuvimos en la atmósfera, bueno, en la pluma, que era realmente densa. No perdieron el control de la nave espacial, pero sintieron que podrían haberlo hecho porque la erupción impactó el costado de la nave y eso estuvo a punto de hacerla caer».

Al sobrevuelo al que se refiere Cohen es el E21, que tuvo lugar el 28 de octubre de 2015, y si bien la distancia mínima que alcanzó fue de 49 kilómetros respecto a la superficie de Encélado (y no los 25 que plantea Dougherty), sin duda fue el sobrevuelo a menor altura de un cuerpo planetario realizado por una sonda hasta la fecha.

 

 

En busca de pruebas de actividad hidrotermal

Como se explica en la cita, el objetivo de semejante riesgo era obtener muestras del material que emanaba de los géiseres para analizarlo con los instrumentos de la nave. De este modo, no solo se buscaba conocer la composición química del mismo, sino que se intentaba testar una de las principales hipótesis científicas respecto al origen de las plumas: la presencia de actividad hidrotermal en el fondo oceánico del satélite (ver Fig. 4).

En ese sentido, el riesgo valió la pena: partiendo de los datos obtenidos por el CDA, un grupo de investigadores descubrió partículas de dióxido de silicio de entre 6 y 9 nanómetros. Y como explica Daniel Marín en su artículo «Más pruebas de actividad hidrotermal en Encélado»:

En la Tierra estas partículas se forman en fuentes hidrotermales de los océanos con temperaturas superiores a 90ºC en medios alcalinos sobresaturados de sílice y con abundancia de sales, así que la conclusión era que en Encélado también existen fuentes hidrotermales.

Pero lo cierto es que esa constatación, por sí sola, no era suficiente para confirmar su presencia: existen otras posibles fuentes de cristales de silicio, además de la actividad hidrotermal [7]. Afortunadamente, los datos obtenidos por otro instrumento de la sonda —el Ion Neutral Mass Spectrometer, INMS— permitieron el desarrollo de otras dos líneas de investigación.

La primera de ellas estaba confirmada desde mucho antes del E21. En 2006, un grupo de investigadores partió de los datos obtenidos por el INMS en el sobrevuelo del 14 de julio de 2005 (E2) para determinar la presencia de, entre otros gases, metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂). De hecho, se detectaron mayores proporciones de las esperadas de ambos compuestos y, como explica Morgan Cable, investigadora de mundos oceánicos del Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA: «Vemos una gran cantidad de metano asociado con los respiraderos hidrotermales en la Tierra, lo que nos brinda otra línea de evidencia que respalda la actividad hidrotermal».

Con todo, la línea de evidencia que ha terminado por confirmar la presencia de fuentes hidrotermales parte de los datos obtenidos por el INMS en el arriesgado sobrevuelo de octubre de 2015.

Como explican los investigadores en el artículo en el que presentaron los datos:

El sensor INMS alternaba entre dos modos de funcionamiento diferentes. El modo CSN aumenta la señal total […]. El modo OSNB muestrea directamente el gas ambiental […]. El uso del modo OSNB durante las observaciones del INMS del E21, el 28 de octubre de 2015, permitió la detección y cuantificación de H₂ en la pluma.

En otras palabras: la sonda Cassini había detectado hidrógeno molecular en las plumas de los géiseres de Encélado.

¿Y por qué es importante este descubrimiento? Porque, como explica Daniel Marín en el artículo antes citado, en los sistemas hidrotermales de la Tierra, el agua a alta temperatura reacciona con rocas ricas en minerales ferrosos produciendo hidrógeno molecular.

Esta evidencia, sumada a las dos anteriores —y a la alta alcalinidad del océano subsuperficial, con un pH de entre 9 y 11—, terminó de confirmar la presencia de dichas fuentes en el polo sur de Encélado.

 

Fumarolas blancas

De hecho, los datos recogidos permiten discernir, incluso, el tipo de fumarolas a través de las que se emite la actividad hidrotermal.

En la Tierra existen dos tipos: las fumarolas negras —cuyas eyecciones son ricas en sulfuros de hierro y de otros metales pesados (de ahí su color), y rondan los 350ºC— y las blancas —cuya temperatura ronda los 90ºC y sus eyecciones (blancuzcas) son ricas en minerales compuestos de calcio y magnesio.

Todos los datos obtenidos por la sonda Cassini del material de los géiseres apunta a la existencia de fumarolas blancas en el fondo del océano de Encélado… Lo que abre las puertas a una maravillosa hipótesis.

 

 

La posibilidad de Encélado

En un artículo aparecido en Science en marzo de 2005, un grupo de investigadores definían las características de lo que ellos denominaban «Ciudades Perdidas»: un complejo ecosistema geológico y bioquímico que tiende a generarse en torno a las fumarolas blancas terrestres. Vale la pena traducir parte de su abstract porque, como veremos, las especificaciones que los definen se asemejan (y mucho) a los datos obtenidos por la sonda Cassini:

El campo hidrotermal de Ciudad Perdida es un ecosistema submarino notable en el que los procesos geológicos, químicos y biológicos están íntimamente relacionados. Las reacciones entre el agua de mar y la peridotita del manto superior producen fluidos ricos en metano e hidrógeno, con temperaturas que oscilan entre valores inferiores a los 40°C y 90°C, un pH de entre 9 y 11, y chimeneas de carbonato de 30 a 60 metros de altura.

Ann Druyan hace referencia al proceso que genera estos hábitats en su libro Cosmos: Possible Worlds [8]:

Esta mezcla de agua y minerales se calienta hasta tal punto que sale despedida con gran fuerza. La mezcla queda atrapada en los poros de las rocas de carbonato que luego se convertirán en las torres. Estos poros son incubadoras, espacios seguros en los que las moléculas orgánicas pueden concentrarse. Esta es la forma en la que creemos que las rocas construyeron el primer hogar de la vida.

Su opinión coincide con la de Morgan Cable, la investigadora de mundos oceánicos del JPL a la que ya he citado:

Muchos científicos especializados en el origen de la vida creen que este es el lugar donde la vida podría haber comenzado en la Tierra. Así que nos entusiasma mucho encontrar un lugar donde las condiciones no solo permitan que exista la vida, sino que también permitan un origen de la vida.

Llegados a este punto, es importante recalcar que la sonda Cassini no ha encontrado indicios de vida en Encélado. Para empezar, porque no disponía de los instrumentos necesarios para hacerlo. Pero los indicios que obtuvo a lo largo de los años han robustecido tanto esa posibilidad que incluso llegaron a determinar el cierre de la misión.

 

Un final que es tan solo un principio

Originalmente, el destino de la sonda Cassini era quedar orbitando en torno a Saturno cuando se le acabara el combustible. Sin embargo, los descubrimientos realizados en Encélado decidieron a sus responsables a tomar otro camino. En palabras de Carl Murray, miembro del área de imágenes de la misión, recogidas en The Planets:

Debido a que ahora sabíamos que Encélado era un entorno potencialmente habitable, no podíamos arriesgarnos a que Cassini se estrellara contra él o se acercara a él, porque podría haber microbios haciendo autostop en la nave espacial y no podíamos permitir la contaminación de Encélado. Así que elegimos conscientemente un final de misión que consumiría su combustible y luego enviaría la nave espacial al planeta gigante mismo.

El 15 de agosto de 2017, la sonda Cassini culminó su misión de más de trece años lanzándose hacia la atmósfera de Saturno a una velocidad de treinta y cinco kilómetros por segundo para terminar desintegrándose en sus capas superiores. Fue el gran final de una gran misión, una que superó con creces sus expectativas científicas y nos reveló uno de los rincones más fascinantes del sistema solar…

Ahora solo nos queda esperar que, en los próximos años, misiones como la prometedora THEO —Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean: propuesta por el JPL de la NASA a finales de 2015 y aún en fase de proyecto— obtengan luz verde para que podamos saber si la potencialidad de este satélite de Saturno da paso a uno de los mayores descubrimientos de la historia de la humanidad.

 

 

NOTAS:

La imagen de cabecera es una recreación del paso de la sonda Cassini a través de las plumas de los géiseres de Encélado. Crédito: NASA/JPL-Caltech.

[1] Ver: Cox, Brian; Cohen, Andrew, Wonders of the Solar Sistem, HarperCollins, Londres, 2010, pp. 135-37.

[2] Op. cit., p. 140.

[3] Op. cit., p. 142.

[4] Ver: Roush, Wade, Extraterrestrial, The MIT Press, Cambridge (Massachusetts)/Londres, 2020.

[5] Ver: Gabàs Masip, Joel, El sistema solar, RBA, Barcelona, 2018, p. 137.

[6] Cox, Brian; Cohen, Andrew. The Planets, HarperCollins, Londres, 2019, pp. 415-416.

[7] Es importante señalar que, en 2019, se expusieron los resultados de una serie de simulaciones que demostraban que el tipo específico de cristal de silicio detectado en los géiseres de Encélado solo podían deberse a actividad hidrotermal; sin embargo, dicha hipótesis se confirmó mucho antes gracias a las evidencias que expondré a continuación.

[8] Druyan, Ann, Cosmos: Possible Worlds, National Geographic Partners, Washington DC, 2020.