Pioneer 10

Pioneer 10 es una sonda espacial estadounidense lanzada el 2 de marzo de 1972, siendo la primera sonda que atravesó con éxito el cinturón de asteroides y que llegó hasta el planeta Júpiter, el objetivo principal de su misión. En junio del año 1983 se convirtió en el primer objeto fabricado por el ser humano que atravesó la órbita de Neptuno, en aquel momento el planeta más distante del Sol dada la excentricidad de la órbita de Plutón, que hasta 2006 no dejó de considerarse planeta.

El paso por Júpiter el 3 de diciembre de 1973 proporcionó las mejores imágenes hasta la fecha de la atmósfera del planeta, permitiendo obtener información de la temperatura de la atmósfera y de la altura en la que se encuentran las nubes superiores de Júpiter. También estudió los cinturones de radiación del planeta y su fuerte campo magnético, de intensidad muy superior a la que se esperaba.

La nave Pioneer 10 es también famosa por el hecho de que contiene una placa inscrita con un mensaje simbólico que le informa a la civilización extraterrestre que pudiese interceptar la sonda acerca del ser humano y su lugar de procedencia, la Tierra, una especie de “mensaje en una botella” interestelar. Esta placa fue fabricada en aluminio anodizado en oro, debido a que este elemento tiene ciertas propiedades que hacen que se degrade mínimamente.

En la placa aparece:

• a la derecha, la imagen de la sonda con el único fin de dar proporción a las dos figuras humanas dibujadas delante, una femenina y otra masculina.
• a la izquierda, un haz de líneas que parten radialmente de un mismo punto; ese punto es el planeta Tierra; las líneas indican la dirección de los púlsares más significativos cercanos a nuestro sistema solar y en cada uno, en sistema de numeración binario, la secuencia de pulsos de cada uno; este apartado constituye nuestro “domicilio” en el universo; una civilización técnicamente avanzada, con conocimiento de los púlsares, podría interpretar la placa;
• en la parte inferior se representa un esquema del sistema solar, con los planetas ordenados según su distancia respecto al Sol y con una indicación de la ruta inicial de la Pioneer 10;
• arriba del conjunto, a la izquierda, se muestra, también con indicaciones en sistema binario, el spin de una molécula de hidrógeno, el elemento más común en el universo.

La placa fue diseñada y popularizada por el astrónomo y divulgador científico estadounidense Carl Sagan y por el también astrónomo estadounidense Frank Drake. Fueron dibujadas por Linda Salzman Sagan.

La sonda fue construida de aluminio y pesaba 258 kg en el despegue, con 28 kg de propelente. La parte central era un anillo hexagonal de 71 cm de ancho y 25,5 cm de altura que albergaba el sistema de radio, la computadora, baterías, la grabadora, los cables y otros elementos. Pioneer 10 lleva una antena parabólica de 2,74 m para las comunicaciones con la Tierra, además de unas antenas de media y baja ganancia. La principal transmitía a 2 kbps, con una ganancia de 38 dB. La energía era suministrada por 4 generadores termoeléctricos de radioisótopos (abreviadamente, RTG) de 15 kg de masa cada uno y 58,36 cm, y utilizaba dióxido de plutonio como fuente de energía. La Pioneer 10 requería 106 vatios de potencia y 26 vatios para los experimentos. El sistema de propulsión era alimentado por un tanque de hidracina de 26 kg, y constaba de 12 propulsores para correcciones y actitud. La orientación se realizaba mediante 3 sensores solares y un sensor estelar apuntando a Canopus. El control de la sonda lo realizaba una computadora central, constando de un procesador de comandos y memoria. La información era almacenada en una grabadora de datos con 49 kb de memoria, 50 kb para los experimentos y 222 comandos.

Entre los experimentos que la Pioneer 10 llevaba a bordo se encontraban detectores de meteoritos, una cámara, un radiómetro, un fotómetro, un detector de rayos cósmicos, un sensor plasma y un magnetómetro

Después de 1997, la débil señal de la Pioneer 10 continuó siendo rastreada por la Red del Espacio Profundo, como parte de un nuevo concepto en el estudio de la tecnología de comunicaciones basado en extraer mensajes coherentes usando la teoría del caos de una señal saturada de ruido. La sonda fue usada en el entrenamiento de controladores de vuelo en cómo adquirir señales de radio del espacio.¹

La última recepción exitosa de telemetría fue el 27 de abril de 2002. Las señales subsecuentes apenas fueron detectables. La pérdida de contacto fue probablemente debido a la combinación del incremento de la distancia y a un lento debilitamiento de la fuente de energía de la sonda.

La última débil señal del Pioneer 10 fue recibida el 23 de enero de 2003, cuando estaba a doce mil millones de kilómetros de la Tierra. El intento por contactarla el 7 de febrero de 2003 no fue exitoso. Un último intento fue realizado la mañana del 4 de marzo de 2006, la última vez que la antena estaría correctamente alineada con la Tierra, sin embargo no se recibió respuesta alguna del Pioneer 10. En la actualidad la nave se dirige hacia la estrella Aldebarán, en la constelación de Tauro, adonde llegará dentro de 1 690 000 años.

La última señal de la nave fue recibida el 22 de enero de 2003, por la Red de Estaciones de Seguimiento en el Espacio Profundo (Deep Space Network o DSN) de la NASA. Había sido emitida desde una distancia de doce mil doscientos millones de kilómetros (1,22 · 10¹⁰ km), por lo que necesitó once horas y veinte minutos -viajando a la velocidad de la luz, trescientos mil kilómetros por segundo (3·10⁵ km/s)- para llegar hasta nosotros.

El posterior intento que el 7 de febrero hizo la NASA para comunicarse con ella no tuvo éxito, por lo que no prevén realizar nuevos intentos. De hecho, las tres anteriores señales que envió la nave fueron muy tenues. La última, captada en la madrileña estación espacial de Robledo de Chavela, era tan débil que no se pudo extraer de ella ninguna información científica. La recibida el 27 de abril de 2002, fue la última con información telemétrica.

Todo hace indicar que la sonda no tiene ya capacidad para enviar señal útil, pues su fuente de energía, un generador de plutonio, se ha debilitado hasta tal punto que la información adicional que porta la señal es indescifrable. Se sabe donde está, pero no se puede comunicar con ella. Ha enmudecido, después de más de treinta años de funcionamiento.

Concebida para una misión de tan sólo 21 meses de duración, sorprendió al mundo científico la clara señal con información que envió en abril de 2001. Todos la habían dado ya por perdida. De hecho, su cada vez más débil señal era rastreada por la NASA, desde 1997, únicamente como parte de un estudio de nuevas tecnologías de comunicación para futuras misiones. Es muy probable que la Pioneer 10 haya realizado la misión de más trascendencia social y de más rentabilidad científica en toda la historia de la Astronáutica. Bien podemos decir, que es una máquina de trabajo que excedió largamente su período de garantía. Que el gasto mereció la pena. Los más de 30 años en funcionamiento le hacen ser, no ya la más veterana sino, la más exitosa de las sondas espaciales.

Construida por TRW de Redondo Beach, en California (EEUU), y lanzada el 2 de marzo de 1972 en un cohete Atlas‑Centaur de tres fases, esta pequeña nave (250 kg sin combustible) fue, en su momento, el objeto más rápido fabricado por el ser humano y enviado al espacio. No en vano, la última de las tres fases le proporcionó una velocidad de 52.142 km/h, a la vez que la hacía girar sobre sí misma a 60 rpm. A esta velocidad, en apenas once horas dejó atrás la Luna y, tres meses después de su lanzamiento, había cruzado ya la órbita de Marte (a unos 80 millones de kilómetros de la Tierra) en dirección hacia el planeta Júpiter.

La sonda Pioneer 10 entró en la historia de la humanidad el 15 de julio de 1972, al ser la primera en atravesar el cinturón de asteroides que orbita el Sol. Una región donde hay objetos que se mueven a 20 km/s y cuyos diámetros oscilan, desde unos cuantos centímetros hasta mil kilómetros (como España). Como no se tenían datos de su densidad másica ni de su cinemática interna, se preveía la posibilidad de que se estrellase con alguno de estos objetos rocosos.

Fue el primer artefacto humano en llegar a la órbita de Júpiter y en su aproximación -donde llegó a alcanzar los 131.966 km/h, debido a su gran atracción gravitatoria- pudo, el 3 de diciembre de 1973, obtener las imágenes más cercanas que se hayan tomado del planeta gigante, así como de sus anillos. Además de tomar fotografías de Júpiter, catalogó sus cinturones de radiación, localizó su campo magnético y estableció que el gigante gaseoso era en gran medida, un planeta líquido.

Pero, además, también fue la primera que transmitió a la Tierra fotografías de Saturno, e información que los astrónomos consideran todo un tesoro. Desde datos sobre los rayos cósmicos que atravesaban la porción de la Vía Láctea en la que se halla el Sistema Solar, hasta otros que tienen que ver con la mecánica gravitacional, los campos magnéticos planetarios, el estudio de partículas energéticas procedentes del Sol (viento solar) y la velocidad de las partículas de polvo espacial.

Diez años después, en 1983, se cumple por tanto el 20 aniversario, la Pioneer 10 se convertía en el primer objeto fabricado por el hombre en atravesar la órbita de Plutón y pasar por su cara oculta. A continuación salió del Sistema Solar internándose en el espacio abierto interestelar.

La Pioneer 10, como también las sondas Pioneer 11, Voyager I y Voyager II, lleva una placa de aluminio y oro anodizado, sujeta en un lugar del soporte de la antena de la nave, donde estará protegida de la erosión del polvo interestelar. Diseñada por Carl Sagan y Frank Drake y dibujada por la entonces esposa de Sagan, Linda Salzman, mide unos 15 x 23 cm y 1,2 mm. de espesor y en ella se encierra un mensaje que intenta resumir tres informaciones básicas: quién la construyó, dónde y cuándo.

Placa de la sonda Pioneer 10

La clave para traducir el significado de la placa se encuentra en el elemento más común del Universo, el hidrógeno. En la parte superior izquierda del diseño (ver dibujo superior), dos circunferencias representan un átomo de hidrógeno en sus dos estados fundamentales: a la izquierda, excitado; a la derecha, sin excitar. Con ellos se sugiere que el segmento horizontal trazado entre ambos representa una distancia igual a la longitud de onda de la radiación emitida en el proceso, 21 cm. Es la radiación que se origina en todas las grandes aglomeraciones de hidrógeno interestelar, por lo que se trata del establecimiento de un factor de escala longitudinal. Debajo, un breve trazo vertical representa al dígito binario 1 para corroborar aún más su carácter de unidad básica.

En la zona central-derecha se advierte una silueta estilizada de la sonda, con su gran antena parabólica, y, delante de ella, superpuestas, las figuras desnudas de una mujer junto a la de un hombre. Así se intenta representar el tamaño relativo aproximado de las criaturas que la enviaron. Las marcas a la derecha de la figura femenina que delimitan su altura junto con el numero 8 en binario y en vertical (8 decimal = 1.000 binario), tratan de representar que la mujer tiene 8 unidades de altura. Tomando así, como unidad, la longitud base antes definida (21 cm), estamos señalando que la mujer tiene una altura media de 168 cm (8 x 21 = 168 cm).

Además se representa al hombre con el brazo levantado en señal de buenas intenciones. Ambas representaciones humanas se basaron en un análisis por ordenador del promedio físico en nuestra civilización.

En la zona central-izquierda se advierte una especie de estrella, que no es otra cosa sino un plano a escala que establece la posición exacta de la Tierra en el Universo. Atravesándola de izquierda a derecha se encuentra la representación de la posición del Sol con respecto al centro de nuestra galaxia (la barra horizontal) y la de 14 púlsares (las barras radiales).

Cada uno de los 14 rayos indica la dirección en que se ven desde la Tierra los 14 púlsares (radiofuentes cósmicas que emiten señales extraordinariamente potentes a intervalos muy cortos y regulares) más importantes. Han sido trazados de manera que su longitud sea proporcional a la distancia a la que se encuentra dicho púlsar de nosotros.

En cada uno hay indicado, además, un numero en código binario, que corresponde al período de pulsación con que emite sus señales el púlsar correspondiente, medido en múltiplos del período de la radiación de 21 cm, cuyo valor es exactamente de 0,704024115 milmillonésimas de segundo.

Como el período de las referidas radiofuentes varía lentamente, aunque con enorme regularidad, al ritmo de unos diez nanosegundos por día, si en un futuro más o menos lejano alguien encuentra la sonda, conociendo además la existencia de los púlsares, su período en ese momento y su ritmo de variación, podrá establecer correctamente cuándo esos mismos púlsares tenían el período indicado en la placa.

Por ultimo, en la parte inferior de la placa se encuentra la representación de la posición de la Tierra, con respecto a nuestro Sistema Solar. A la izquierda se encuentra el Sol y a continuación los nueve planetas, junto con la distancia al astro rey expresada en binario. Para señalar a la Tierra se dibujó la trayectoria del Pioneer saliendo del tercer planeta del Sistema Solar, nuestro hogar.

La nave Pioneer 10 en los laboratorios antes de ser lanzada

Todo lo que siempre has querido saber sobre la anomalía de las sondas Pioneer

Publicado en 22 enero 2010

Lo siento, yo no te lo voy a contar, no voy a traducir 163 páginas de documentación sobre lo que de verdad se sabe sobre la anomalía de las sondas Pioneer. Todas tus preguntas (salvo la más importante, por qué se produce) sobre la anomalía de las sondas Pioneer te las contestará el artículo de revisión de 163 páginas de Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, “The Pioneer Anomaly,” ArXiv, 20 Jan 2010. ¡Ah, que todavía no lo sabes! La anomalía de las sondas Pioneer se refiere a la aparente aceleración que las sondas Pioneer 10 y 11 han mostrado cuando se encontraban a distancias del Sol entre 20 y 70 UA (unidades astronómicas). Esta aceleración a_P = (8,74 ± 1.33) × 10^-10 m/s² viola aparentemente la ley de gravitación universal de Newton (la ley de la inversa del cuadrado) y actualmente no tiene ninguna explicación definitiva, aunque se han propuesto muchísimas explicaciones posibles (más o menos convincentes). El artículo de Turyshev y Toth menciona alguna de estas especulaciones, pero no se recrea en ellas, ni pretende presentar de forma sistemática todas las que hay.

Hoy en día, la existencia de la anomalía no puede ser puesta en duda. Sin embargo, los nuevos análisis de los datos radiométricos de las Pioneer indican que la aceleración anómala no es constante sino que va decreciendo ligeramente conforme pasa el tiempo (como muestra la figura de la izquierda). Además, la dirección a la que apunta la aceleración anómala tampoco está clara (tiene un error de unos 3º). Podría apuntar al Sol (1 en la figura de la derecha), hacia la Tierra (2 en la figura), en la dirección opuesta a la velocidad de la sonsa (3 en la figura) o en la dirección del eje central de la sonda (4 en la figura). La anomalía se ha observado en la Pioneer 10 hasta una distancia de 70 UA, y en la Pioneer 11 desde una distancia de 20 UA, sin embargo, no se sabe si la anomalía estaba presenta a distancias más pequeñas. La anomalía presenta un error sistemático oscilatorio con variaciones diarias y anuales claramente visibles, pero no se sabe si tienen algo que ver con la explicación de la anomalía. Las Pioneer también presentan una anomalía de espín, pero no se sabe si está relacionada con la aceleración anomalía. Finalmente, la explicación menos esotérica, que la anomalía es debida a una radiación de calor de los motores anisótropa no se puede descartar, ya que se cree que ha sido subestimada en estudios anteriores.

Los autores de este artículo de revisión han emprendido un proyecto de investigación exhaustivo que reanalizará todos los datos telemétricos de las sondas Pioneer 10 y 11 mediante un nuevo software de análisis de datos y esperan que en menos de una década el problema de la anomalía de las sondas Pioneer sea resuelto. Esperemos que así sea.

La NASA publica un nuevo análisis de la anomalía de las Pioneer

Posted on 29 julio, 2011 por Felipe Campos

La misteriosa fuerza que actúa sobra las sondas Pioneer parece estar bajando exponencialmente. Esta es una gran pista de que el calor de a bordo es el culpable, dice la NASA.

Ilustración artística de una de las sondas Pioneer. Crédito: NASA.

A principios de la década de 1970, la NASA envió dos naves espaciales en una montaña rusa hacia el Sistema Solar exterior. Las Pioneer 10 y 11 viajaron más allá de Júpiter (y Saturno en el caso de Pioneer 11) y ahora se dirigen hacia el espacio interestelar.

Pero en 2002, los físicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, notaron un desconcertante fenómeno. La sonda estaba frenando. Nadie sabía por qué, pero la NASA analizó 11 años de datos de seguimiento de Pioneer 10 y 3 años de Pioneer 11 para demostrarlo.

Esta desaceleración, la anomalía de las Pioneer, se ha convertido en uno de los mayores problemas de la astrofísica. Una idea es que la gravedad es diferente en esas distancias (Pioneer 10 y 11 están ahora a 30 y 70 UA). Ésta sería la conclusión más emocionante.

Pero antes de que los astrofísicos acepten esto, deben descartarse otras explicaciones más mundanas. De ellas, la principal es la posibilidad de que la desaceleración esté provocada por el calor procedente de las baterías radiactivas de la nave, que pueden irradiar más calor en una dirección que en otra.

El pasado marzo, físicos europeos afirmaron que un nuevo modelo por ordenador de la emisión de calor procedente de la nave había finalmente dado con el problema. Dijeron que habían demostrado que el calor era el culpable.

La NASA, que tenía su propio equipo revisando este tema, se ha mantenido en silencio sobre este resultado y hoy podemos ver por qué. Slava Turyshev del JPL y algunos colegas dicen que han filtrando los registros del JPL en busca de más datos. Y los han encontrado.

Estos chicos dicen que han sido capaces de duplicar los conjuntos de datos para ambas naves. Esto incrementa los datos de seguimiento de Pioneer 10 a 23 años y de Pioneer 11 a 11 años. Esto es un salto de 20.055 a 41.054 puntos de datos para Pioneer 10 y de 10.616 a 81.537 para Pioneer 11.

Entonces, ¿qué demuestra esto? En primer lugar, los nuevos datos confirman que existe la desaceleración anómala.

Pero también arroja algo interesante. Turyshev y compañía dicen que parece haber una disminución exponencial con el paso del tiempo en este frenado anómalo. No es fácil de ver en los datos con seguridad, pero sin duda hay signos de que está ahí.

Ésta es una pista importante. Pioneer 10 y 11 están alimentadas por el decaimiento radiactivo del plutonio-238, el cual, por supuesto, decae exponencialmente.

La NASA está actualmente realizando su propia simulación por ordenador de la forma en que se emite el calor desde la nave para ver si puede explicar el nuevo conjunto de datos.

Todas las pistas señalan a la idea de que el calor puede explicar la anomalía de las Pioneer. Como lo expresan Turyshev y sus colegas: “La causa más probable de la anomalía de las Pioneer es la emisión anisotrópica del calor de a bordo”.

Por lo que parece que NASA está de acuerdo con la conclusión europea y que los astrónomos pronto podrán dejar descansar este misterio de una vez por todas.

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