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Monday, December 3, 2018

The story of a space odyssey

In its three decades of life, the Cassini–Huygens mission to Saturn transformed our view of the outer Solar System.

Natural-colour view of Saturn, taken by the Cassini spacecraft on January 2010.
(Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.)

ON 15 SEPTEMBER 2017, after thirteen years orbiting Saturn, a robotic spacecraft by the name of Cassini plunged into the atmosphere of the gas giant, where it quickly burned up. More than an hour later, a faint radio signal delivered the news of the space probe’s demise to Earth, thus marking the end of the Cassini–Huygens space mission. Over the previous two decades, this colossal scientific venture had completely revolutionised our understanding of one of the most remarkable regions of the Solar System — and the way we think about the possibility of extra-terrestrial life.

Despite Cassini’s destruction having been exhaustively planned, for many people at NASA, ESA and ASI — the American, European and Italian space agencies — the sudden radio silence that followed the probe’s destruction felt like the death of an old and dear friend. The long-lived space mission had occupied the best part of their careers; while each of its stages slowly unfolded billions of kilometres away, many of those involved in the project went on to start families, grow old and, in some cases, even die. One of those lucky enough to witness the entire life of Cassini–Huygens from up close was David Southwood, a distinguished planetary scientist who is also a former Director of Science at ESA, and a former President of the Royal Astronomical Society. In a recent talk hosted by the Cambridge University Astronomical Society, Southwood offered his gripping account of the story and legacy of Cassini–Huygens, and of the huge international effort that allowed the mission to take off and remain operative for so long, despite the considerable political and social changes that took place during its course. Most of what follows is based on the contents of Southwood’s talk.

Cassini and Huygens, the two robotic spacecraft that would carry out the grand mission, were launched into space in 1997, twenty years before Cassini’s death in 2017; the mission’s origins, however, date back as far as the early 1980s. This was a time when Europe was notably reluctant to invest in space exploration: after the breakneck space race between the United States and the Soviet Union, which culminated in the landing of Apollo 11 on the Moon in 1969, space had come to be regarded, as Southwood put it, ‘as either Terra Americana or Terra Sovietica: either American or Soviet territory’. Southwood not only witnessed the transition of space science from science-fiction into a tangible reality, but he played an active part in it. After his childhood in England, where he grew up devouring colourful science-fiction comics in the 1950s, he later moved to the United States in search of a better environment for space science, before returning to England in the early 1970s. It was in 1982 when Europe and the United States finally became unlikely partners in an ambitious mission proposal aimed at Saturn — a planet that had captured the public imagination ever since Galileo Galilei first trained his telescope at it in 1610. The ESA committed to the construction of Huygens, the space lander that was to descend on Saturn’s largest moon, Titan, and bore the name of its discoverer, Christiaan Huygens. NASA and ASI would build the larger Cassini probe, which would remain in orbit around Saturn to study the planet’s rings and moons, and was named after Giovanni Cassini, the discoverer of Saturn’s ring divisions and several of its moons.

Diagram of the Cassini spacecraft. The Huygens probe is hidden under the circular shield on the left side.
(Credit: NASA Jet Propulsion Laboratory.)

Working at Imperial College, London, Southwood led the development of one of Cassini’s scientific instruments: its space magnetometer, a device designed to measure changes in magnetic fields. He also found himself playing an unexpected but critical part in defending the project against worrying shifts in the scientific priorities of NASA, most likely underlain by the altered political climate that followed the end of the Cold War. Safeguarding the mission from technical and political failure was of the foremost importance for those involved in it; with a height of about seven metres, a mass of over two tonnes, and a development cost of nearly one and a half billion dollars, Cassini was an ambitious spacecraft that supported the weight of hefty expectations.

After leaving Earth from Cape Canaveral in 1997, Cassini — carrying the Huygens lander with it — embarked on a grand tour of the Solar System, with the object of gaining sufficient impulse towards its final destination through a series of ‘gravitational slingshot’ manoeuvres. By flying very close to a planet, the probe could exploit its gravitational field to accelerate and fly away (‘slingshot’) without spending energy. In a succession of incredibly precise manoeuvres, Cassini performed two such fly-by passes of Venus, another of Earth itself (in 1999), and a final one of Jupiter, which sent the probe on its way to Saturn. After seven years of journey through empty space, Cassini finally entered orbit around the ringed giant in 2004. Shortly afterwards, the Huygens lander detached and headed towards Titan, where it would land in 2005.

Animation of Cassini's trajectory through the Solar System, from October 1997 to May 2008.
(Purple: Cassini. Cyan: Venus. Blue: Earth. Yellow: Jupiter. Green: Saturn.)
(Credit: Phoenix7777/Wikipedia, under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International licence.)

Titan was already known to possess a dense, orange-hued atmosphere which, like that of Earth, is chiefly composed of nitrogen. However, little was known about the surface below, apart from the fact that there was an abundance of methane. More interestingly, Titan’s average temperature of –180 ºC should allow methane to exist in liquid, solid and gaseous forms; this meant that, upon its arrival, Huygens might find itself in a world marked by methane clouds and rain, methane lakes and rivers, and even methane ice. And indeed, photographs and data from Huygens showed the existence of all those features, as predicted many years before — with some lakes reaching lengths of about a hundred kilometres. As Southwood rightly remarked, ‘one of the best things of being a scientist is when wild predictions turn out to be true’. Huygens transmitted to Earth a series of photographs that told the story of its violent descent onto a landscape of arid mountains and valleys, river beds and deep canyons, all slowly sculpted by the flow of liquid methane. After travelling over a billion kilometres, these images were received by watchful radio telescopes in India, China, Australia and the United States, and reconstructed into a breathtaking movie of the most distant landing ever accomplished by a human-made object.

While Huygens’s scientific task was completed shortly after its spectacular landing on Titan, Cassini would carry on with its study of the Saturn system for another twelve years — much longer than initially planned. The impressive array of discoveries made by Cassini is not easily summarised; to start with, it found seven new moons around Saturn, some of which are no more than small bodies formed by the accretion of rocky material within the planet’s rings. The probe also performed detailed measurements of Saturn’s rotational period, atmospheric composition and magnetic field — the latter of which is responsible for the planet’s sensational auroras — and mapped the structure of its iconic rings, as well as the largest storm ever recorded in any planet — surpassing even Jupiter’s celebrated Great Red Spot.

One of the most exciting discoveries made by Cassini started precisely with the space magnetometer built by Southwood’s team in London. While orbiting near the icy moon Enceladus, the instrument detected a change in the local magnetic field, which signalled the existence of an atmosphere around the moon. When this atmosphere was closely inspected, it was found to be composed of ionised water vapour, which was leaking from Enceladus’s interior through a series of huge geysers located at its south pole. The geysers were of such dimension that they could be photographed from space, resulting in images that inspired awe and fascination in equal measure. Amazingly, the geysers were also found to be the source of the so-called ‘E ring’, a faint loop of ice particles that tightly follows Enceladus’s orbit around Saturn. After further analyses, NASA finally reported the existence of an ocean of salty water under the moon’s icy crust. The discovery of this hidden ocean transformed our view of the places where life might lurk in our Solar System; scientists have proposed that tides in this ocean, produced by Saturn’s potent gravitational field, might provide a source of energy for organisms living within Enceladus, placing it among the prime candidates in the quest for extra-terrestrial life.

Image, taken by Cassini, of Saturn's moon Enceladus backlit by the sun, showing the geysers in its south polar region. (Credit: NASA/JPL/Space Science Institute.)

The obliteration of Cassini in Saturn’s upper atmosphere was, in fact, designed to prevent the spacecraft’s remains from contaminating the potentially life-supporting environment of some of Saturn’s moons. Although Cassini, like every spacecraft, had been built in an utterly sterile facility, there was always the possibility that microorganisms from Earth had managed to hitchhike a ride on the probe. Before burning up above the gas giant, Cassini squeezed its scientific output until the last minute, carrying out a series of daring passes through Saturn’s inner rings, which would have been deemed too unsafe had the probe not been already sentenced to destruction.

The Cassini–Huygens mission stands as an eloquent example of the sort of mind-boggling enterprises whereby the broad field of space science moves forward. Unlike projects in most other sciences, which are usually constrained by a slim budget and a strict five-year deadline, gargantuan space missions like this one demonstrate that, at least in some cases, thinking big yields its rewards. After the initial mission proposal, it took fifteen years for Cassini and Huygens to be designed, built and launched into space; and another seven years — and some clever manoeuvring — for them to reach their destination. The extreme degree of precision and anticipation involved in the design of a scientific project that is to rely on painstakingly accurate management over decades, while under permanent risk of complete failure — with the consequent loss of millions of human-hours’ worth of work and money — is something far beyond the experience of more ‘earthly’ scientists and engineers. Yet Cassini–Huygens turned out a success beyond anyone’s expectations, and is proof that institutions and governments, if firmly united around a common goal, can triumph even in endeavours of the most ambitious nature. Although Cassini and Huygens’s journey finally came to an end last year, their legacy is far from over: the trove of scientific data gathered through them remains the object of intense study, and the answers it yields will continue to add up to our understanding of this minute corner of the cosmos we call home.

Historia de una odisea espacial

En sus tres décadas de vida, la misión Cassini–Huygens a Saturno transformó nuestra visión del Sistema Solar.

Vista de Saturno en color natural, tomada por la astronave Cassini en enero de 2010.
(Imagen: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.)

EL 15 DE SEPTIEMBRE DE 2017, tras trece años orbitando Saturno, una astronave robótica llamada Cassini se zambulló en la atmósfera del gigante gaseoso, donde ardió rápidamente. Más de una hora después, una tenue señal de radio traía a la Tierra la noticia de la muerte de la sonda espacial, marcando así el fin de la misión Cassini–Huygens. A lo largo de las últimas dos décadas, esta colosal empresa científica había revolucionado por completo nuestro entendimiento de una de las regiones más extraordinarias del Sistema Solar, así como nuestra forma de pensar en la posibilidad de la existencia de vida extraterrestre.

Pese a que la destrucción de Cassini había sido exhaustivamente planificada, para muchos miembros de la NASA, la ESA y la ASI —las respectivas agencias espaciales de Estados Unidos, Europa e Italia— el súbito silencio de la sonda se sintió como la muerte de un viejo y querido amigo. La larga misión espacial había ocupado la mayor parte de sus carreras; mientras las distintas etapas del proyecto se desarrollaban lentamente a miles de millones de kilómetros de la Tierra, muchas de las personas involucradas envejecieron, formaron familias y, en algunos casos, incluso murieron. David Southwood, un distinguido científico planetario que ha ocupado los puestos de Director Científico de la ESA y Presidente de la Real Sociedad Astronómica del Reino Unido, se cuenta entre los pocos afortunados que han sido testigos directos de la totalidad de la vida de Cassini–Huygens. En una reciente charla organizada por la Sociedad Astronómica de la Universidad de Cambridge, Southwood ofreció su fascinante relato de la historia de Cassini–Huygens, así como del inmenso esfuerzo internacional que permitió a la misión despegar y permanecer activa durante tanto tiempo. La mayoría de lo expuesto a continuación está basado en el contenido de dicha charla.

Cassini y Huygens, las dos astronaves robóticas que llevarían a cabo la misión, fueron lanzadas al espacio en 1997, veinte años antes de la muerte de Cassini en 2017; los inicios de la misión, no obstante, se remontan a principios de los años ochenta. Por aquel entonces, Europa permanecía reticente a invertir en exploración espacial: tras la salvaje carrera espacial entre Estados Unidos y la Unión Soviética, que desembocaría en el aterrizaje del Apolo 11 en la Luna en 1969, el espacio había pasado a ser, en palabras de Southwood, ‘Terra Americana o Terra Sovietica: o bien territorio americano, o bien soviético’. Southwood no sólo fue testigo de cómo la ciencia espacial pasaba de mera ciencia ficción a ser una realidad tangible, sino que desempeñó un papel activo en la transición. Tras su infancia en Inglaterra, donde creció devorando cómics de ciencia ficción en la década de los cincuenta, Southwood se mudaría más tarde a los Estados Unidos en busca de un mejor entorno para la ciencia espacial, antes de regresar a Inglaterra a principios de los años setenta. No sería hasta 1982 cuando Europa y Estados Unidos se volverían socios en la propuesta para una ambiciosa misión espacial a Saturno, un planeta que ha capturado la imaginación del público desde que Galileo Galilei apuntó su telescopio hacia él por primera vez en 1610. La ESA se comprometió a la construcción de Huygens, la sonda que habría de aterrizar en la mayor luna de Saturno, Titán, y que portaba el nombre de Christiaan Huygens, descubridor de dicha luna. La NASA y la ASI, por su parte, construirían la sonda Cassini, de dimensiones mucho mayores y bautizada en honor a Giovanni Cassini, el descubridor de las divisiones de los anillos de Saturno y varias de sus lunas. Cassini permanecería en órbita alrededor del planeta con objeto de estudiar sus anillos y lunas.

Diagrama de la astronave Cassini. La sonda Huygens se encuentra bajo el escudo circular situado en el lado izquierdo. (Imagen: NASA Jet Propulsion Laboratory.)

Trabajando desde el Imperial College de Londres, Southwood encabezó el desarrollo de uno de los instrumentos científicos de Cassini: el magnetómetro espacial, un dispositivo diseñado para medir variaciones en campos magnéticos. Southwood también acabaría desempeñando un papel inesperado pero esencial en la defensa del proyecto frente a preocupantes cambios en las prioridades científicas de la NASA, probablemente debidos al alterado ambiente político tras el final de la Guerra Fría. Salvaguardar el proyecto frente a todo fallo técnico o político era de la mayor importancia para los miembros del mismo; con una altura de alrededor de siete metros, una masa de más de dos toneladas, y un coste de desarrollo de casi mil quinientos millones de dólares, Cassini era una astronave de diseño extraordinariamente ambicioso, sobre la que descansaba el peso de grandes expectativas.

Tras abandonar la Tierra desde Cabo Cañaveral en 1997, Cassini —portando con ella la sonda Huygens— se embarcó en un largo tour del Sistema Solar, con el propósito de obtener suficiente impulso para alcanzar su destino mediante una serie de maniobras de ‘asistencia gravitatoria’: al pasar cerca de un planeta, la sonda podía aprovechar el campo gravitatorio del mismo para acelerar y salir catapultada hacia el espacio sin necesidad de gastar energía. En una sucesión de maniobras increíblemente precisas, Cassini realizó dos pasadas sobre Venus, otra más sobre la Tierra (en 1999), y una última sobre Júpiter, la cual puso finalmente a la sonda camino de Saturno. Finalmente, tras siete años de viaje por el vacío, Cassini entró en órbita alrededor del gigante anillado en 2004. Poco después, la sonda Huygens se desprendería de Cassini para dirigirse hacia Titán, donde tocaría tierra en 2005.

Animación de la trayectoria de Cassini a través del Sistema Solar, entre octubre de 1997 y mayo de 2008.
(Violeta: Cassini. Cian: Venus. Azul: Tierra. Amarillo: Júpiter. Verde: Saturno.)
(Imagen: Phoenix7777/Wikipedia, bajo licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0.)

Estudios anteriores de Titán habían revelado que esta luna posee una densa atmósfera anaranjada que, al igual que la de la Tierra, está compuesta mayormente de nitrógeno. No obstante, poco se conocía de la superficie bajo esta atmósfera, aparte de que en ella había metano en abundancia. Es más, se sabía que la temperatura media de Titán es de –180 ºC, lo que debería permitir la existencia de metano en formas líquida, sólida y gaseosa —como es el caso del agua en nuestro planeta—. Es decir, a su llegada a Titán, Huygens podría encontrarse con un mundo surcado por nubes y lluvias de metano, ríos y lagos de metano, e incluso hielo de metano. Y en efecto, fotografías y datos recogidos por Huygens probaron la existencia de todos estos fenómenos, predichos muchos años antes —con algunos lagos de metano alcanzando los cien kilómetros de longitud—. Tal como Southwood señaló en su charla, ‘una de las mejores cosas de ser científico es cuando las predicciones más arriesgadas resultan ser ciertas’. Huygens transmitió a la Tierra una serie de fotografías que relatan la historia de su violento descenso hacia un paisaje de áridas montañas y valles, lechos fluviales y hondos cañones, cada uno lentamente esculpido por el flujo de metano líquido. Tras recorrer más de mil millones de kilómetros, las imágenes fueron recibidas por vigilantes radiotelescopios en la India, China, Australia y Estados Unidos, y usadas para reconstruir una imponente película del aterrizaje más remoto jamás realizado por un objeto de fabricación humana.

Mientras que la labor científica de Huygens concluyó poco después de su espectacular aterrizaje en Titán, Cassini proseguiría con su estudio del sistema de Saturno por otros doce años, mucho más de lo inicialmente planeado. El impresionante surtido de descubrimientos realizados por Cassini no se resume con facilidad; para empezar, la sonda descubrió siete nuevas lunas de Saturno, algunas de las cuales no son más que pequeños cuerpos formados por la acreción de material rocoso en los anillos del planeta. Cassini también realizó mediciones detalladas del periodo rotacional, la composición atmosférica y el campo magnético de Saturno —el último de los cuales es responsable de las sensacionales auroras del planeta—, y cartografió la estructura de sus icónicos anillos, así como la mayor tormenta jamás registrada en ningún planeta —que superó incluso a la famosa Gran Mancha Roja de Júpiter—.

Uno de los descubrimientos más emocionantes realizados por Cassini comenzó precisamente con el magnetómetro espacial construido por el equipo de Southwood en Londres. Mientras la sonda pasaba cerca de la luna helada Encélado, el instrumento detectó un cambio en el campo magnético local, señalando la existencia de una atmósfera alrededor de dicha luna. Un examen más exhaustivo de esta atmósfera reveló que estaba compuesta de vapor de agua ionizado, el cual manaba del interior de Encélado a través de una serie de gigantescos géiseres situados en su polo sur. Estos géiseres eran de un tamaño tal que podían ser observados desde el espacio, dando lugar a fotografías tan sobrecogedoras como científicamente fascinantes. Increíblemente, los géiseres también resultaron ser la fuente del llamado ‘anillo E’, un difuso anillo de partículas de hielo que sigue precisamente la órbita de Encélado alrededor de Saturno. Tras un análisis más detallado, la NASA anunció la existencia de un océano de agua salada bajo la corteza helada de Encélado, un descubrimiento que transformó por completo nuestra visión de los lugares en los que la vida podría ocultarse en el Sistema Solar. Algunos científicos han propuesto que las mareas producidas por el potente campo gravitatorio de Saturno en este océano podrían constituir una fuente de energía para organismos que habitaran el interior de Encélado, posicionando a esta luna como uno de los mejores candidatos en la búsqueda de vida extraterrestre.

Imagen, tomada por Cassini, de la luna Encélado iluminada por el sol, mostrando los géiseres en su polo sur. (Imagen: NASA/JPL/Space Science Institute.)

La destrucción de Cassini en la atmósfera superior de Saturno fue, de hecho, diseñada para prevenir que los restos de la sonda contaminasen el entorno potencialmente apto para la vida de algunas de las lunas del planeta. Aunque Cassini, como toda astronave, había sido construida en instalaciones extremadamente esterilizadas, siempre cabía la posibilidad de que microorganismos terrestres hubieran conseguido infiltrarse como polizones en la sonda. Antes de arder finalmente sobre el gigante gaseoso, Cassini exprimió su producción científica hasta el último minuto, realizando una serie de arriesgadas pasadas a través de los anillos de Saturno, las cuales se habrían considerado demasiado peligrosas si la sonda no hubiera estado ya sentenciada a ser destruida.

La misión Cassini–Huygens se yergue como un ejemplo revelador de la clase de proyectos inverosímiles que caracterizan al campo de la ciencia espacial. A diferencia de los proyectos típicos de la mayoría de ciencias, que se hallan sujetos a ajustados presupuestos y estrictos plazos de cinco años, las colosales misiones espaciales como ésta demuestran que, al menos en ciertos casos, pensar a lo grande tiene su recompensa. Tras la propuesta inicial de la misión, hicieron falta quince años para el diseño, construcción y lanzamiento al espacio de Cassini y Huygens, y otros siete años para que ambos alcanzasen su destino. El grado extremo de precisión y anticipación implicado en el diseño de un proyecto científico con una gestión tan meticulosamente detallada durante décadas, y permanentemente expuesto a la posibilidad de fracaso total —que conllevaría la pérdida de miles de millones de dólares y millones de horas de trabajo— está más allá de la experiencia de científicos e ingenieros más ‘terrenales’. Aun así, Cassini–Huygens fue un éxito superior a toda expectativa, y demostró que instituciones y gobiernos, si se encuentran firmemente unidos en torno a un objetivo común, son capaces de triunfar incluso en empeños del carácter más ambicioso imaginable. Aunque el viaje de Cassini y Huygens finalmente tocó a su fin el año pasado, su legado está lejos de terminar: el patrimonio de datos científicos recopilado gracias a ellos sigue siendo objeto de intenso estudio, y las respuestas que se deriven del mismo continuarán enriqueciendo nuestra comprensión de este minúsculo rincón del cosmos al que llamamos hogar.