Clúster II (nave espacial)

Cluster II ^{[ 2 ]} fue una misión espacial de la Agencia Espacial Europea , con participación de la NASA , para estudiar la magnetosfera terrestre a lo largo de casi dos ciclos solares . La misión estaba compuesta por cuatro naves espaciales idénticas que volaban en formación tetraédrica . Como reemplazo de las naves espaciales Cluster originales que se perdieron en un fallo de lanzamiento en 1996, las cuatro naves espaciales Cluster II fueron lanzadas con éxito en pares en julio y agosto de 2000 a bordo de dos cohetes Soyuz-Fregat desde Baikonur , Kazajistán . En febrero de 2011, Cluster II celebró 10 años de operaciones científicas exitosas en el espacio. En febrero de 2021, Cluster II celebró 20 años de operaciones científicas exitosas en el espacio. A marzo de 2023, su misión se extendió hasta septiembre de 2024. ^{[ 3 ]} La misión Double Star de la Administración Espacial Nacional de China /ESA operó junto con Cluster II desde 2004 hasta 2007.

El primero de los cuatro satélites del Cluster II en reingresar a la atmósfera lo hizo el 8 de septiembre de 2024 y el segundo el 22 de octubre de 2025. Se espera que los dos restantes lo hagan en el verano de 2026. ^{[ 4 ]} Las operaciones de carga útil científica de todos los satélites finalizaron cuando el primer satélite reingresó a la atmósfera (se siguen realizando otras operaciones de vuelo con los satélites restantes hasta que todos hayan reingresado). ^{[ 5 ]}

Los cuatro satélites idénticos del Clúster II estudiaron el impacto de la actividad solar en el entorno espacial terrestre volando en formación alrededor de la Tierra. Por primera vez en la historia espacial, esta misión pudo recopilar información tridimensional sobre cómo el viento solar interactúa con la magnetosfera y afecta al espacio cercano a la Tierra y su atmósfera , incluidas las auroras .

Las naves espaciales eran cilíndricas (2,9 x 1,3  m, véase el modelo 3D en línea ) y giraban a 15 revoluciones por minuto . Tras el lanzamiento, sus paneles solares proporcionaron 224 vatios de potencia para los instrumentos y las comunicaciones. La potencia de los paneles solares disminuyó gradualmente a medida que avanzaba la misión, debido a los daños causados ​​por partículas cargadas de alta energía, pero esto estaba previsto y el nivel de potencia se mantuvo suficiente para las operaciones científicas. Las cuatro naves espaciales maniobraron formando diversas configuraciones tetraédricas para estudiar la estructura y los límites de la magnetosfera. Las distancias entre las naves podían modificarse y variaban entre unos 4 y 10 000  km. El propulsor para la transferencia a la órbita operativa y las maniobras para variar las distancias de separación entre las naves representaron aproximadamente la mitad del peso de lanzamiento de la nave.

Las órbitas altamente elípticas de la nave espacial alcanzaron inicialmente un perigeo de alrededor de 4 R _E (radios terrestres, donde 1 R _E = 6371 km) y un apogeo de 19,6 R _E. Cada órbita tardó aproximadamente 57 horas en completarse. La órbita evolucionó con el tiempo; la línea de ápsides rotó hacia el sur de modo que la distancia a la que la órbita cruzaba la capa de corriente de la magnetocola se redujo progresivamente, y se muestreó un amplio rango de latitudes de cruce de la magnetopausa diurna. Los efectos gravitacionales impusieron un ciclo a largo plazo de cambio en la distancia del perigeo (y apogeo), que hizo que los perigeos se redujeran a unos pocos cientos de km en 2011 antes de comenzar a aumentar de nuevo. El plano orbital rotó alejándose de la inclinación de 90 grados. Las modificaciones orbitales por parte de ESOC alteraron el período orbital a 54 horas. Todos estos cambios permitieron a Cluster visitar un conjunto mucho más amplio de regiones magnetosféricas importantes de lo que fue posible durante la misión inicial de 2 años, mejorando así el alcance científico de la misión.  

El Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC) adquirió datos telemétricos y distribuyó la información científica de la nave espacial a los centros de datos en línea. El Centro Conjunto de Operaciones Científicas (JSOC) del Laboratorio Rutherford Appleton en el Reino Unido coordinó la planificación científica y, en colaboración con los equipos de instrumentación, proporcionó al ESOC las solicitudes de comandos de instrumentación consolidadas.

El Archivo Científico Cluster es el archivo a largo plazo de la ESA de las misiones científicas Cluster y Double Star. Desde el 1 de noviembre de 2014, es el único punto de acceso público a los datos científicos de la misión Cluster y a los conjuntos de datos complementarios. Los datos de Double Star están disponibles públicamente a través de este archivo. El Archivo Científico Cluster se encuentra junto con los demás archivos científicos de la ESA en el Centro Europeo de Astronomía Espacial , cerca de Madrid, España.

La misión Cluster fue propuesta a la ESA en 1982 y aprobada en 1986, junto con el Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO). Juntas, estas dos misiones constituyeron la piedra angular de la física solar-terrestre del programa de misiones Horizonte 2000 de la ESA. Si bien las naves espaciales Cluster originales se completaron en 1995, la explosión del cohete Ariane 5 que transportaba los satélites en 1996 retrasó la misión cuatro años mientras se construían nuevos instrumentos y naves espaciales.

El 16 de julio de 2000, un cohete Soyuz-Fregat del Cosmódromo de Baikonur lanzó dos de las naves espaciales de reemplazo del Cluster II (Salsa y Samba) a una órbita de estacionamiento desde donde maniobraron por sus propios medios hasta una órbita de 19 000 x 119 000 kilómetros con un período de 57 horas. Tres semanas después, el 9 de agosto de 2000, otro cohete Soyuz-Fregat puso en órbita las dos naves restantes (Rumba y Tango) en órbitas similares. La nave espacial 1, Rumba, también era conocida como la nave espacial Phoenix , ya que se construyó en gran parte con piezas de repuesto sobrantes tras el fracaso de la misión original. Tras la puesta en servicio de la carga útil, las primeras mediciones científicas se realizaron el 1 de febrero de 2001.

La Agencia Espacial Europea organizó un concurso para nombrar los satélites en todos los estados miembros de la ESA . ^{[ 6 ]} Ray Cotton, del Reino Unido , ganó el concurso con los nombres Rumba , Tango , Salsa y Samba . ^{[ 7 ]} La ciudad de residencia de Ray, Bristol , fue premiada con maquetas de los satélites en reconocimiento a la propuesta ganadora, ^{[ 8 ] [ 9 ]} así como por la conexión de la ciudad con los satélites. Sin embargo, después de muchos años almacenados, finalmente encontraron un hogar en el Laboratorio Rutherford Appleton .

Originalmente planeada para durar hasta finales de 2003, la misión se extendió varias veces. La primera extensión la llevó de 2004 a 2005, y la segunda de 2005 a junio de 2009. Finalmente, la misión se extendió hasta septiembre de 2024, cuando terminaron las operaciones de carga útil científica en los satélites. ^{[ 3 ]} El final definitivo del proyecto Cluster (especialmente los satélites Cluster II) ocurrirá en 2026 cuando el último satélite entre en la atmósfera y sea destruido. ^{[ 5 ]} A finales de enero de 2026, la ESA ordenó a los dos satélites Cluster II restantes, SAMBA y TANGO, que ajustaran sus órbitas para que su reentrada planificada el 31 de agosto y el 1 de septiembre de 2026 pudiera ser observada por un avión. ^{[ 10 ]}

Las misiones anteriores, tanto individuales como en parejas, no pudieron proporcionar los datos necesarios para estudiar con precisión los límites de la magnetosfera. Dado que el plasma que la compone no puede observarse mediante técnicas de teledetección, es necesario utilizar satélites para medirlo in situ. Cuatro satélites permitieron a los científicos realizar las mediciones tridimensionales y con resolución temporal necesarias para obtener una imagen realista de las complejas interacciones del plasma que se producen entre las regiones de la magnetosfera y entre la magnetosfera y el viento solar.

Cada satélite transportaba una carga útil científica compuesta por 11 instrumentos diseñados para estudiar las estructuras de plasma a pequeña escala en el espacio y el tiempo en las regiones clave del plasma: viento solar, choque de proa , magnetopausa , cúspides polares, magnetocola , capa límite de la plasmapausa y sobre los casquetes polares y las zonas aurorales.

• La onda de choque frontal es la región del espacio entre la Tierra y el Sol donde el viento solar se desacelera, pasando de supersónico a subsónico, antes de desviarse alrededor de la Tierra. Al atravesar esta región, la nave espacial realizó mediciones que ayudaron a caracterizar los procesos que ocurren en la onda de choque frontal, como el origen de anomalías de flujo caliente y la transmisión de ondas electromagnéticas a través de la onda de choque frontal y la magnetofunda desde el viento solar.
• Detrás de la onda de choque se encuentra la delgada capa de plasma que separa los campos magnéticos de la Tierra y del viento solar, conocida como magnetopausa . Este límite se desplaza continuamente debido a la variación constante de la presión del viento solar. Dado que las presiones de plasma y magnéticas dentro del viento solar y la magnetosfera, respectivamente, deberían estar en equilibrio, la magnetosfera debería ser un límite impenetrable. Sin embargo, se ha observado plasma que atraviesa la magnetopausa y penetra en la magnetosfera desde el viento solar. Las mediciones de cuatro puntos de Cluster permitieron rastrear el movimiento de la magnetopausa y dilucidar el mecanismo de penetración del plasma desde el viento solar.
• En dos regiones, una en el hemisferio norte y otra en el hemisferio sur, el campo magnético terrestre es perpendicular, en lugar de tangente, a la magnetopausa. Estas cúspides polares permiten que las partículas del viento solar, compuestas por iones y electrones, fluyan hacia la magnetosfera. La sonda Cluster registró la distribución de partículas, lo que permitió caracterizar las regiones turbulentas en las cúspides exteriores.
• Las regiones del campo magnético terrestre que se estiran por el viento solar alejándose del Sol se conocen colectivamente como la magnetocola . Dos lóbulos que se extienden más allá de la longitud de la Luna forman la magnetocola exterior, mientras que la capa de plasma central forma la magnetocola interior, que es altamente activa. Cluster monitoreó partículas de la ionosfera y del viento solar a medida que pasaban a través de los lóbulos de la magnetocola. En la capa de plasma central, Cluster determinó los orígenes de los haces de iones y las perturbaciones en las corrientes alineadas con el campo magnético causadas por subtormentas .
• La precipitación de partículas cargadas en la atmósfera crea un anillo de emisión de luz alrededor del polo magnético conocido como zona auroral . Cluster midió las variaciones temporales de los flujos de partículas transitorias y los campos eléctricos y magnéticos en la región.

En 2003 y 2004, la Administración Espacial Nacional de China lanzó los satélites Double Star , TC-1 y TC-2, que trabajaron junto con Cluster para realizar mediciones coordinadas principalmente dentro de la magnetosfera . TC-1 dejó de operar el 14 de octubre de 2007. Los últimos datos de TC-2 se recibieron en 2008. TC-2 contribuyó a la ciencia de los magnetares ^{[ 11 ] [ 12 ]} , así como a la física magnetosférica. TC-1 examinó los agujeros de densidad cerca del choque de proa de la Tierra que pueden desempeñar un papel en la formación del choque de proa ^{[ 13 ] [ 14 ]} y analizó las oscilaciones de la lámina neutra. ^{[ 15 ]}

Premios para equipos de clúster:

• Premio Sir Arthur Clarke de la Sociedad Interplanetaria Británica 2024 al equipo de la Misión Cluster del Reino Unido
• Premio al Logro Grupal de la Real Sociedad Astronómica 2019 ^{[ 16 ]}
• Premio del 15.º aniversario de la ESA 2015
• Premio del equipo ESA 2013
• Laureles de la Academia Internacional de Astronáutica 2010 por logros de equipo para equipos Cluster y Double Star ^{[ 17 ]}
• Premio del 5.º aniversario del clúster ESA 2005
• Premio al logro grupal de la NASA 2004
• Premio a lo mejor de la ciencia popular del año 2000
• Premio de lanzamiento del clúster de la ESA 2000

Premios individuales:

• 2023 Hermann Opgenoorth (Univ. de Umeå, Suecia), antiguo líder del Grupo de Trabajo Terrestre del Clúster, fue galardonado con la Medalla Julius Bartels de la EGU 2023 ^{[ 18 ].}
• En 2020, Daniel Graham (Instituto Sueco de Física Espacial, Uppsala, Suecia) recibió la medalla COSPAR Zeldovich ^{[ 19 ].}
• 2019 Margaret Kivelson (UCLA, EE. UU.), Cluster FGM CoI, recibió la medalla de oro RAS ^{[ 20 ]}
• 2018 Hermann Opgenoorth (Univ. de Umeå, Suecia), antiguo líder del Grupo de Trabajo Terrestre del Clúster, fue galardonado con la medalla Barón Marcel Nicolet de Clima Espacial y Meteorología Espacial de 2018 ^{[ 21 ].}
• 2016 Stephen Fuselier (SWRI, EE. UU.), Cluster CIS CoI, recibió EGU Hannes Alfvén Meda ^{[ 22 ]}
• 2016 Mike Hapgood, experto en operaciones científicas de la misión Cluster, fue galardonado con la Medalla Barón Marcel Nicolet por Meteorología Espacial y Clima Espacial ^{[ 23 ].}
• 2014 Rumi Nakamura (IWF, Austria), Cluster CIS/EDI/FGM CoI, recibió la Medalla Julius Bartels de la EGU ^{[ 24 ]}
• 2013 Mike Hapgood (RAL, Reino Unido), científico del proyecto Cluster JSOC, recibió el premio al servicio de la RAS ^{[ 25 ].}
• 2013 Göran Marklund, EFW Co-I, recibió la Medalla EGU Hannes Alfvén 2013. ^{[ 26 ]}
• 2013 Steve Milan, representante terrestre de la misión Cluster, recibió la medalla Chapman de la Real Sociedad Astronómica del Reino Unido (RAS) ^{[ 27 ].}
• 2012 Andrew Fazakerley, investigador principal de Cluster and Double Star (PEACE), recibió la Medalla Chapman de la Real Sociedad Astronómica ^{[ 28 ].}
• 2012 Zuyin Pu (Universidad de Pekín, China), RAPID/CIS/FGM CoI, recibió el Premio Internacional AGU ^{[ 29 ]}
• 2012 Jolene Pickett (Universidad de Iowa, EE. UU.), investigadora principal del Cluster WBD, recibió el premio a la excelencia del personal de la Junta de Regentes del Estado de Iowa ^{[ 30 ].}
• 2012 Jonathan Eastwood (Imperial College, Reino Unido), co-investigador de FGM, recibió la medalla COSPAR Yakov B. Zeldovich ^{[ 31 ].}
• 2008 Andre Balogh (Imperial College, Reino Unido), investigador principal del grupo FGM, recibió la medalla RAS Chapman ^{[ 32 ].}
• 2006 Steve Schwartz (QMW, Reino Unido), científico de sistemas de datos de Cluster UK y co-investigador de PEACE, recibió la medalla RAS Chapman ^{[ 28 ].}

• Escoubet, CP; A. Masson; H. Laakso; ML Goldstein (2021). "Cluster después de 20 años de operaciones: aspectos científicos destacados y desafíos técnicos" . Journal of Geophysical Research: Space Physics . 126 (8) e2021JA029474. Bibcode : 2021JGRA..12629474E . doi : 10.1029/2021JA029474 . hdl : 11603/25562 .
• Escoubet, CP; A. Masson; H. Laakso; ML Goldstein (2015). "Aspectos destacados recientes de Cluster, la primera misión magnetosférica 3D" . Annales Geophysicae . 33 (10): 1221– 1235. Bibcode : 2015AnGeo..33.1221E . doi : 10.5194/angeo-33-1221-2015 . hdl : 11603/31311 .
• Escoubet, CP; M. Taylor; A. Masson; H. Laakso; J. Volpp; M. Hapgood; ML Goldstein (2013). "Procesos dinámicos en el espacio: resultados de clúster" . Annales Geophysicae . 31 (6): 1045– 1059. Bibcode : 2013AnGeo..31.1045E . doi : 10.5194/angeo-31-1045-2013 .
• Taylor, M.; CP Escoubet; H. Laakso; A. Masson; M. Goldstein (2010). «La misión Cluster: plasma espacial en tres dimensiones». En H. Laakso; et  al. (eds.). El archivo activo de Cluster . Actas de Astrofísica y Ciencias Espaciales. pp. 309–330 . doi : 10.1007/978-90-481-3499-1_21 . ISBN  978-90-481-3498-4.
• Escoubet, CP; M. Fehringer; M. Goldstein (2001). «La misión del Clúster» . Annales Geofísicae . 19 (12/10): 1197– 1200. Bibcode : 2001AnGeo..19.1197E . doi : 10.5194/angelo-19-1197-2001 . hdl : 11603/30657 .
• Escoubet, CP; R. Schmidt; ML Goldstein (1997). "Cluster - Science and Mission Overview". Space Science Reviews . 79 ( 1– 2): 11– 32. Bibcode : 1997SSRv...79...11E . doi : 10.1023/A:1004923124586 . hdl : 11603/30578 . S2CID 116954846 . 

Las 3868 publicaciones relacionadas con las misiones Cluster y Double Star (cifras al 31 de marzo de 2026) se pueden consultar en la sección de publicaciones del sitio web de la misión Cluster de la ESA . Entre estas publicaciones, 3371 son artículos revisados ​​por pares, 342 actas de congresos, 124 tesis doctorales y 31 tesis de otro tipo.