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Articulo de referencia

Stardust (nave espacial)

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Stardust fue una sonda espacial robótica de 385 kilogramoslanzada por la NASA el 7 de febrero de 1999. Su misión principal era recolectar muestras de polvo de la coma del cometa Wild 2 , así como muestras de polvo cósmico , y traerlas de regreso a la Tierra para su análisis. Fue la primera misión de retorno de muestras de este tipo. En ruta hacia el cometa Wild2, también sobrevoló y estudió el asteroide 5535 Annefrank . La misión principal se completó con éxito el 15 de enero de 2006, cuando la cápsula de retorno de muestras regresó a la Tierra. [ 10 ]  

Una extensión de la misión, denominada NExT , culminó en febrero de 2011 con la interceptación del cometa Tempel 1 por parte de Stardust , un pequeño cuerpo del Sistema Solar que ya había sido visitado por Deep Impact en 2005. Stardust cesó sus operaciones en marzo de 2011. 

El 14 de agosto de 2014, los científicos anunciaron la identificación de posibles partículas de polvo interestelar de la cápsula Stardust que regresó a la Tierra en 2006. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Antecedentes de la misión

Historia

A partir de la década de 1980, los científicos comenzaron a buscar una misión específica para estudiar un cometa. A principios de la década de 1990, varias misiones para estudiar el cometa Halley se convirtieron en las primeras misiones exitosas en enviar datos de cerca. Sin embargo, la misión estadounidense al cometa, Comet Rendezvous Asteroid Flyby , fue cancelada por razones presupuestarias. A mediados de la década de 1990, se brindó apoyo adicional a una misión más económica, de la clase Discovery , que estudiaría el cometa Wild  2 en 2004. [ 1 ]

Stardust fue seleccionada mediante concurso en otoño de 1995 como una misión del Programa Discovery de la NASA de bajo coste y con objetivos científicos muy específicos. [ 1 ] : 5 La construcción de Stardust comenzó en 1996 y estuvo sujeta a la máxima restricción de contaminación, nivel  5 de protección planetaria . Sin embargo, el riesgo de contaminación interplanetaria por vida extraterrestre se consideró bajo, [ 15 ] ya que se creía que los impactos de partículas a más de 450 metros por segundo (1000 mph) , incluso en aerogel , eran letales para cualquier microorganismo conocido. [ 1 ] : 22–23 

Comet Wild 2 was selected as the primary target of the mission for the rare chance to observe a long-period comet that has ventured close to the Sun. The comet has since become a short period comet after an event in 1974, where the orbit of Wild 2 was affected by the gravitational pull of Jupiter, moving the orbit inward, closer to the Sun. In planning the mission, it was expected that most of the original material from which the comet formed would still be preserved.[1]:5

The primary science objectives of the mission included:[7]

  • Providing a flyby of a comet of interest (Wild 2) at a sufficiently low velocity (less than 6.5 km/s) such that non-destructive capture of comet dust is possible using an aerogel collector.
  • Facilitating the intercept of significant numbers of interstellar dust particles using the same collection medium, also at as low a velocity as possible.
  • Returning as many high-resolution images of the comet coma and nucleus as possible, subject to the cost constraints of the mission.

The spacecraft was designed, built and operated by Lockheed Martin Astronautics as a Discovery-class mission in Denver, Colorado. JPL provided mission management for the NASA division for mission operations. The principal investigator of the mission was Dr. Donald Brownlee from the University of Washington.[1]:5

Spacecraft design

The spacecraft bus measured 1.7 meters (5 ft 7 in) in length, and 0.66 meters (2 ft 2 in) in width, a design adapted from the SpaceProbe deep space bus developed by Lockheed Martin Astronautics. The bus was primarily constructed with graphite fiber panels with an aluminum honeycomb support structure underneath; the entire spacecraft was covered with polycyanate, Kapton sheeting for further protection. To maintain low costs, the spacecraft incorporated many designs and technologies used in past missions or previously developed for future missions by the Small Spacecraft Technologies Initiative (SSTI). The spacecraft featured five scientific instruments to collect data, including the Stardust Sample Collection tray, which was brought back to Earth for analysis.[16]

Attitude control and propulsion

The spacecraft was three-axis stabilized with eight 4.41 Nhydrazinemonopropellantthrusters, and eight 1 N thrusters to maintain attitude control (orientation); necessary minor propulsion maneuvers were performed by these thrusters as well. The spacecraft was launched with 80 kilograms of propellant. Information for spacecraft positioning was provided by a star camera using FSW to determine attitude (Stellar Compass), an inertial measurement unit, and two Sun sensors.[1]:30–31[16] The Stellar Compass software was provided by Intelligent Decisions, Inc.

Communications

For communicating with the Deep Space Network, the spacecraft transmitted data across the X-band using a 0.6-meter (2 ft 0 in) parabolic high-gain antenna, medium-gain antenna (MGA) and low-gain antennas (LGA) depending on mission phase, and a 15-watt transponder design originally intended for the Cassini spacecraft.[1]:32[16]

Power

The probe was powered by two solar arrays, providing an average of 330 watts of power. The arrays also included Whipple shields to protect the delicate surfaces from the potentially damaging cometary dust while the spacecraft was in the coma of Wild 2. The solar array design was derived primarily from the Small Spacecraft Technology Initiative (SSTI) spacecraft development guidelines. The arrays provided a unique method of switching strings from series to parallel depending on the distance from the Sun. A single nickel–hydrogen (NiH2) battery was also included to provide the spacecraft with power when the solar arrays received too little sunlight.[1]:31[16]

Computer

La computadora de la nave espacial funcionaba con una tarjeta procesadora RAD6000 de 32 bits resistente a la radiación . Para almacenar datos cuando la nave no podía comunicarse con la Tierra, la tarjeta procesadora tenía una capacidad de 128 megabytes , de los cuales el 20% estaba ocupado por el software del sistema de vuelo. El software del sistema es una variante de VxWorks , un sistema operativo integrado desarrollado por Wind River Systems . [ 1 ] : 31 [ 16 ] 

Instrumentos científicos

Recolección de muestras

Las partículas cometarias e interestelares se recogen en un aerogel de densidad ultrabaja . La bandeja recolectora, del tamaño de una raqueta de tenis, contenía noventa bloques de aerogel, lo que proporcionaba más de 1000  centímetros cuadrados de superficie para capturar granos de polvo cometario e interestelar .

Para recolectar las partículas sin dañarlas, se utiliza un sólido a base de silicio con una estructura porosa similar a una esponja , cuyo volumen es 99,8  % vacío. El aerogel tiene una densidad 1/1000  de la del vidrio , otro sólido a base de silicio con el que se puede comparar. Cuando una partícula impacta contra el aerogel, queda incrustada en el material, creando una larga huella, hasta 200  veces la longitud del grano. El aerogel se empaquetó en una rejilla de aluminio y se colocó en una Cápsula de Retorno de Muestras (SRC), que se liberaría de la nave espacial al pasar cerca de la Tierra en 2006.

Para analizar el aerogel en busca de polvo interestelar, se necesitarán un millón de fotografías para obtener imágenes de la totalidad de los granos muestreados. Las imágenes se distribuirán a usuarios de computadoras domésticas para facilitar el estudio de los datos mediante un programa llamado Stardust@home . En abril de 2014, la NASA informó que había recuperado siete partículas de polvo interestelar del aerogel. [ 27 ]

Microchip Stardust

La misión Stardust transportaba dos conjuntos idénticos de obleas de silicio cuadradas de 10,16 centímetros (4 pulgadas) . Cada par presentaba grabados de más de un millón de nombres de personas que participaron en el programa de divulgación pública rellenando formularios en línea disponibles a finales de 1997 y mediados de 1998. Un par de microchips se colocó en la nave espacial y el otro se acopló a la cápsula de retorno de muestras. [ 1 ] : 24 

Perfil de la misión

Lanzamiento y trayectoria

Animación de la trayectoria de Stardust desde el 7 de febrero de 1999 hasta el 7 de abril de 2011. Stardust · 81P/Wild · Tierra · 5535 Annefrank · Templo 1              

Stardust fue lanzada a las 21:04:15  UTC del 7 de febrero de 1999 por la NASA desde el Complejo de Lanzamiento Espacial  17A en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral en Florida, a bordo de un vehículo de lanzamiento Delta  II 7426. La secuencia completa de encendido duró 27  minutos, llevando a la nave espacial a una órbita heliocéntrica que la llevaría alrededor del Sol y más allá de la Tierra para una maniobra de asistencia gravitatoria en 2001, para alcanzar el asteroide 5535 Annefrank en 2002 y el cometa Wild  2 en 2004 a una baja velocidad de sobrevuelo de 6,1  km/s. En 2004, la nave espacial realizó una corrección de rumbo que le permitiría pasar cerca de la Tierra por segunda vez en 2006, para liberar la Cápsula de Retorno de Muestras para un aterrizaje en Utah en las Salinas de Bonneville . [ 1 ] : 14–22 [ 7 ]

Durante el segundo encuentro con la Tierra, la Cápsula de Retorno de Muestras fue liberada el 15 de enero de 2006. [ 7 ] Inmediatamente después, Stardust fue puesta en una "maniobra de desviación" para evitar entrar en la atmósfera junto con la cápsula. Menos de veinte kilogramos de propelente permanecieron a bordo después de la maniobra. [ 7 ] El 29 de enero de 2006, la nave espacial fue puesta en modo de hibernación con solo los paneles solares y el receptor activos, en una órbita heliocéntrica de 3 años que la devolvería a las cercanías de la Tierra el 14 de enero de 2009. [ 7 ] [ 28 ]

El 3 de julio de 2007 se aprobó una extensión de la misión para que la nave espacial volviera a estar completamente operativa para un sobrevuelo del cometa Tempel  1 en 2011. Esta extensión fue la primera en volver a visitar un cuerpo pequeño del Sistema Solar y utilizó el propulsor restante, lo que marcó el final de la vida útil de la nave espacial. [ 29 ]

Encuentro con Annefrank

At 04:50:20 UTC on 2 November 2002, Stardust encountered asteroid 5535 Annefrank from a distance of 3,079 km (1,913 mi).[7] The solar phase angle ranged from 130 degrees to 47 degrees during the period of observations. This encounter was used primarily as an engineering test of the spacecraft and ground operations in preparation for the encounter with Comet Wild 2 in 2003.[7]

Encounter with Wild 2

At 19:21:28 UTC, on 2 January 2004, Stardust encountered Comet Wild 2[34] on the sunward side with a relative velocity of 6.1 km/s at a distance of 237 km (147 mi).[7] The original encounter distance was planned to be 150 km (93 mi), but this was changed after a safety review board increased the closest approach distance to minimize the potential for catastrophic dust collisions.[7]

The relative velocity between the comet and the spacecraft was such that the comet actually overtook the spacecraft from behind as they traveled around the Sun. During the encounter, the spacecraft was on the Sunlit side of the nucleus, approaching at a solar phase angle of 70 degrees, reaching a minimum angle of 3 degrees near closest approach and departing at a phase angle of 110 degrees.[7] The AutoNav software was used during the flyby.[35]:11

During the flyby the spacecraft deployed the Sample Collection plate to collect dust grain samples from the coma, and took detailed pictures of the icy nucleus.[36]

New Exploration of Tempel 1 (NExT)

Una nave espacial enciende sus propulsores para agotar su combustible, poniendo fin a su misión.
Artist's impression of the Stardust spacecraft performing a burn-to-depletion at the end of the Stardust NExT mission.

El 19 de marzo de 2006, los científicos de Stardust anunciaron que estaban considerando la posibilidad de redirigir la nave espacial a una misión secundaria para fotografiar el cometa Tempel  1. Este cometa ya había sido el objetivo de la misión Deep  Impact en 2005, que envió un impactador a su superficie. Esta extensión de la misión podría ser crucial para obtener imágenes del cráter de impacto, algo que Deep Impact no logró capturar debido a que el polvo del impacto oscurecía la superficie.

El 3 de julio de 2007 se aprobó la extensión de la misión y se renombró como Nueva Exploración de Tempel  1 (NExT). Esta investigación proporcionaría la primera visión de los cambios en el núcleo de un cometa producidos tras un acercamiento al Sol. NExT también ampliaría el mapeo de Tempel  1, convirtiéndolo en el núcleo de cometa más mapeado hasta la fecha. Este mapeo ayudaría a abordar las principales preguntas de la geología de los núcleos de cometas. Se esperaba que la misión de sobrevuelo consumiera casi todo el combustible restante, lo que indicaría el fin de la operatividad de la nave espacial. [ 29 ] El software AutoNav (para navegación autónoma) controlaría la nave espacial durante los 30 minutos previos al encuentro. [ 37 ]

Los objetivos de la misión incluían lo siguiente: [ 37 ]

Objetivos principales
  • Ampliar el conocimiento actual sobre los procesos que afectan a las superficies de los núcleos de los cometas documentando los cambios que se han producido en el cometa Tempel  1 entre dos pasos sucesivos por el perihelio, u órbitas alrededor del Sol.
  • Ampliar el mapeo geológico del núcleo de Tempel  1 para dilucidar la extensión y la naturaleza de la estratificación, y ayudar a refinar los modelos de formación y estructura de los núcleos de los cometas.
  • Ampliar el estudio de los depósitos de flujo suave, las áreas activas y la exposición conocida del hielo de agua.
Objetivos secundarios
  • El objetivo es obtener imágenes y caracterizar el cráter producido por el impacto profundo en julio de 2005, para comprender mejor la estructura y las propiedades mecánicas de los núcleos cometarios y dilucidar los procesos de formación de cráteres en ellos.
  • Mida la densidad y la distribución de masa de las partículas de polvo dentro de la coma utilizando el instrumento de monitorización del flujo de polvo.
  • Analizar la composición de las partículas de polvo dentro de la coma utilizando el instrumento Analizador de Polvo Interestelar y de Cometas.

Encuentro con Tempel 1

A las 04:39:10  UTC del 15 de febrero de 2011, Stardust-NExT encontró a Tempel  1 a una distancia de 181 km (112 mi) . [ 8 ] [ 9 ] Se adquirieron aproximadamente 72 imágenes durante el encuentro. Estas mostraron cambios en el terreno y revelaron porciones del cometa nunca vistas por Deep Impact . [ 38 ] También se observó el sitio de impacto de Deep Impact , aunque era apenas visible debido al material que se asentaba de nuevo en el cráter. [ 39 ]   

Fin de la misión extendida

El 24 de marzo de 2011, aproximadamente a las 23:00  UTC, Stardust realizó una maniobra de encendido para consumir el combustible restante. [ 33 ] La nave espacial tenía poco combustible y los científicos esperaban que los datos recopilados ayudaran al desarrollo de un sistema más preciso para estimar los niveles de combustible en las naves espaciales. Una vez recopilados los datos, no fue posible seguir apuntando la antena y se apagó el transmisor. La nave espacial envió una confirmación desde aproximadamente 312 millones de km (194 millones de millas) de distancia en el espacio. [ 5 ]    

Devolución de muestra

La cápsula de aterrizaje vista en tierra en el campo de pruebas y entrenamiento de Utah.
Cápsula de aterrizaje vista por el equipo de recuperación

On 15 January 2006, at 05:57 UTC, the Sample Return Capsule successfully separated from Stardust. The SRC re-entered the Earth's atmosphere at 09:57 UTC,[40] with a velocity of 12.9 km/s, the fastest reentry speed into Earth's atmosphere ever achieved by a human-made object.[41] The capsule followed a drastic reentry profile, going from a velocity of Mach 36 to subsonic speed within 110 seconds.[42] Peak deceleration was 34 g,[43] encountered 40 seconds into the reentry at an altitude of 55 km over Spring Creek, Nevada.[42] The phenolic-impregnated carbon ablator (PICA) heat shield, produced by Fiber Materials Inc., reached a temperature of more than 2,900 °C during this steep reentry.[44] The capsule then parachuted to the ground, finally landing at 10:12 UTC at the Utah Test and Training Range, near the U.S. Army Dugway Proving Ground.[6][45] The capsule was then transported by military aircraft from Utah to Ellington Air Force Base in Houston, Texas, then transferred by road in an unannounced convoy to the Planetary Materials Curatorial facility at Johnson Space Center in Houston to begin analysis.[7][46]

Sample processing

Granos de polvo visibles en el colector de aerogel.
Visible dust grains in the aerogel collector

El contenedor de muestras se llevó a una sala limpia con un factor de limpieza 100  veces mayor que el de un quirófano de hospital para asegurar que el polvo interestelar y cometario no estuviera contaminado. [ 47 ] Las estimaciones preliminares sugirieron que al menos un millón de partículas microscópicas de polvo estaban incrustadas en el colector de aerogel . Se encontraron diez partículas de al menos 100 micrómetros (0,1 mm) y la más grande de aproximadamente 1000 micrómetros (1 mm). También se encontraron aproximadamente 45 impactos de polvo interestelar en el colector de muestras, que se encontraba en la parte posterior del colector de polvo cometario. Los granos de polvo están siendo observados y analizados por un equipo de voluntarios a través del proyecto de ciencia ciudadana Stardust@Home .       

La masa combinada de la muestra recolectada fue de aproximadamente 1  mg. [ 48 ]

En diciembre de 2006, se publicaron siete artículos en la revista científica Science , que discutían los detalles iniciales del análisis de la muestra. Entre los hallazgos se encuentran: una amplia gama de compuestos orgánicos , incluidos dos que contienen nitrógeno biológicamente utilizable ; hidrocarburos alifáticos autóctonos con longitudes de cadena más largas que las observadas en el medio interestelar difuso ; abundantes silicatos amorfos además de silicatos cristalinos como olivino y piroxeno , lo que demuestra la consistencia con la mezcla de materia del Sistema Solar e interestelar, deducida previamente espectroscópicamente a partir de observaciones terrestres; [ 49 ] se encontró la ausencia de silicatos hidratados y minerales carbonatados, lo que sugiere una falta de procesamiento acuoso del polvo cometario; también se encontró carbono puro limitado ( CHON ) en las muestras recuperadas; se encontró metilamina y etilamina en el aerogel, pero no se asoció con partículas específicas.

En 2010, el Dr. Andrew Westphal anunció que Bruce Hudson, voluntario de Stardust@home, encontró una traza (etiquetada como "I1043,1,30") entre las numerosas imágenes del aerogel que podría contener un grano de polvo interestelar. [ 50 ] El programa permite que cualquier descubrimiento realizado por un voluntario sea reconocido y nombrado por él mismo. Hudson nombró a su descubrimiento "Orión". [ 51 ]

Certificado Stardust@Home

En abril de 2011, científicos de la Universidad de Arizona descubrieron evidencia de la presencia de agua líquida en el cometa Wild 2. Encontraron minerales de sulfuro de hierro y cobre que debieron formarse en presencia de agua. El descubrimiento rompe el paradigma existente de que los cometas nunca se calientan lo suficiente como para derretir su masa helada. [ 52 ] En la primavera de 2014, se anunció la recuperación de partículas de polvo interestelar de la misión Stardust del programa Discovery. [ 53 ]

Las muestras de Stardust están actualmente disponibles para que cualquiera las identifique después de completar la capacitación en la página web de Berkeley. [ 54 ]

Ubicación de la nave espacial

La cápsula de retorno se encuentra actualmente en el Museo Nacional del Aire y el Espacio en Washington, D.C. Su exhibición allí comenzó el 1 de octubre de 2008, con motivo del 50.º aniversario de la fundación de la NASA. La cápsula de retorno se exhibe en modo de recolección de muestras, junto con una muestra del aerogel utilizado para tal fin. [ 55 ]

Resultados

Las muestras de cometas muestran que las regiones exteriores del Sistema Solar primitivo no estaban aisladas ni eran un refugio donde los materiales interestelares pudieran sobrevivir comúnmente. [ 56 ] Los datos sugieren que se formó material del Sistema Solar interior a alta temperatura y que posteriormente se transfirió al cinturón de Kuiper . [ 57 ]

Glicina

En 2009, la NASA anunció que los científicos habían identificado por primera vez en un cometa uno de los componentes químicos fundamentales de la vida: la glicina , un aminoácido, fue detectada en el material eyectado del cometa Wild  2 en 2004 y capturado por la sonda Stardust . La glicina ya se había detectado en meteoritos y también existen observaciones en nubes de gas interestelar, pero el hallazgo de Stardust se describe como el primero en material cometario. El análisis de isótopos indica que el Bombardeo Intenso Tardío incluyó impactos de cometas después de la formación de la Tierra, pero antes de la evolución de la vida. [ 58 ] Carl Pilcher, director del Instituto de Astrobiología de la NASA, comentó que «El descubrimiento de glicina en un cometa respalda la idea de que los componentes fundamentales de la vida son comunes en el espacio y refuerza el argumento de que la vida en el universo puede ser común en lugar de rara». [ 59 ]

Véase también

Referencias

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  • Sitio web de Stardust en NASA.gov
  • Sitio web de Stardust del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.
  • Sitio web de Stardust-NExT del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.
  • Archivo de la misión Stardust en el Sistema de Datos Planetarios de la NASA, Nodo de Cuerpos Menores
  • Archivo de la misión Stardust-NExT en el Sistema de Datos Planetarios de la NASA, Nodo de Cuerpos Menores.