Conferència de l'Astronòmica de Sabadell. Santa Martínez i Sébastien Besse, 19 de febrer de 2025
La nostra missió preferida és BepiColombo. He entès que alguns ja heu sentit i llegit sobre aquesta missió. L'objectiu que tenim avui és realment enganxar-vos a aquesta missió i que vulgueu saber-ne més, que vulgueu entendre-la més, que vulgueu seguir-nos i descobrir els resultats científics que aquesta missió oferirà a la comunitat científica. A veure si ho aconseguim.
Nosaltres treballem per a l'Agència Espacial Europea. Entenc que molts de vosaltres ja coneixeu el que és, però volia dedicar unes paraules perquè la conegueu una mica millor. És una organització intergovernamental. En total, són vint-i-tres estats membres els que en formen part. També hi ha estats que tenen acords de cooperació i són estats associats. Tenim un pressupost anual d'uns set mil set-cents milions d'euros. Perquè us feu una idea, això és més o menys dotze euros per cada ciutadà europeu a l'any. Així que no és tant, és el mateix que el que cadascun de nosaltres pot dedicar a anar al cinema una vegada a l'any. Això és el que costa invertir en totes les activitats que es fan per part de l'Agència Espacial Europea.
L'agència ocupa en total unes dues mil cinc-centes persones directament, però en realitat, als centres de l'Agència Espacial hi ha al voltant de sis mil persones treballant. Els centres estan distribuïts per tot Europa. En el nostre cas en concret, som a Madrid, però tenim centres a diversos països d'Europa, i les oficines centrals són a París.
La tasca fonamental de l’Agència Espacial Europea és definir, desenvolupar i executar el programa espacial d’Europa. Aquest programa espacial és molt ampli, toca dominis molt diferents dins del sector espacial, que poden anar des de l'observació de la Terra fins a la investigació científica, passant per projectes d'exploració espacial, incloent missions robòtiques i missions tripulades en què els propis humans exploren i investiguen. També treballem en serveis i aplicacions de telecomunicacions i navegació. Fins i tot en l'accés a l'espai, desenvolupant llançadors, coets i tota mena de tecnologia que ens permeti enviar els nostres satèl·lits a l'espai per continuar la investigació.
A l'ESA tenim dos programes fonamentals: el programa obligatori, al qual tots els estats membres de l'Agència Espacial han de contribuir, i després el programa opcional, on els països poden escollir a quines activitats volen contribuir i quines no els interessa.
El nostre programa, en el què nosaltres treballem, és el programa científic dins del directorat de ciència, i és un programa obligatori. És a dir, aquest programa de recerca científica és un programa essencial per a l'Agència Espacial.
El nostre centre de treball és molt especial. És a Madrid, però estem en un entorn natural, envoltats d'un parc natural (figura 1). Així que estem molt contents de treballar-hi. En diem el Centre Europeu d'Astronomia Espacial, però per a nosaltres és una mica el cor científic de l'ESA. És el centre que conté tots els centres d'operacions científiques de missions planetàries i de missions d'astronomia. És un luxe realment treballar-hi, envoltats de tota aquesta investigació científica.
Figura 1. Centre de l'ESA a Madrid
A més d'allotjar els centres d'operacions científiques, també compta amb l'Arxiu Científic on s'emmagatzemen totes les dades de les missions científiques de l'ESA. A nosaltres ens agrada anomenar-ho la Biblioteca de l'Univers. És una biblioteca a la qual tothom pot accedir per descarregar-se les dades i treballar-hi.
Treballem en molts tipus de missions espacials diferents, els observadors còsmics, com els anomenem. Són fonamentalment les missions d'astronomia, les que estudien l'univers a través de l'espectre electromagnètic. Aquestes missions s'enfoquen a diferents rangs de l'espectre electromagnètic.
Heu tingut recentment una presentació de Plato, d'Ana Eras, que ha vingut aquí a explicar-vos sobre aquesta missió per descobrir i caracteritzar sistemes extrasolars i exoplanetes associats a ells. Hi ha missions de gran impacte, com ara Gaia, que ha construït el catàleg d'estrelles més gran que tenim, amb més de dos mil milions d'estrelles, i que posseeix una precisió exquisida.
Figura 2. Els observadors còsmics
El nostre camp de treball fonamental són les missions planetàries, els exploradors del sistema solar. Qualsevol objecte del nostre sistema solar és objecte d’estudi d’aquestes missions, incloent el Sol, els estels i tots els planetes del nostre sistema solar.
Figura 3. Exploradors del sistema solar
Avui ens centrarem en un d'especial: Mercuri. Us parlarem de BepiColombo.
La missió es va llançar a l'octubre de 2018 des de la Guaiana Francesa, un port espacial de l'Agència Espacial Europea, molt utilitzat per als nostres llançaments. Va ser un llançament molt especial, ja que va passar de nit. Per a nosaltres, aquest moment marca el veritable inici de la missió. Tot i això, el seu desenvolupament, disseny i planificació han portat molts anys de treball previ.
Aquest projecte té una gran dimensió internacional amb la participació de nombrosos científics i enginyers. La missió és ambiciosa i tecnològicament complexa. Té dues particularitats: és una col·laboració internacional entre l'Agència Espacial Europea i l'Agència d'Exploració Aeroespacial Japonesa, coneguda com a JAXA.
Durant la fase de creuer, que va començar després del llançament, tots els mòduls viatgen acoblats formant un sol satèl·lit. No obstant això, quan arribin a Mercuri, previst per a finals de 2026, els mòduls es desacoblaran i cada orbitador es quedarà a la seva òrbita científica al voltant del planeta.
Figura 4. Els diferents mòduls de BepiColombo
Una altra particularitat és el mòdul de transferència, que ens acompanya fins a arribar a Mercuri. La seva funció és proporcionar la propulsió necessària per a completar el viatge.
El sistema de propulsió elèctrica solar és innovador, ja que mai abans no s'havia utilitzat per a una transferència interplanetària.
Perquè us feu una idea de les dimensions del satèl·lit, de punta a punta fa uns sis metres. Amb els panells solars desplegats, arriba als trenta metres.
Figura 5. Desplegament del satèl·lit
El pes total al llançament va ser de quatre tones, però la instrumentació científica només representa una petita part d'aquest pes.
BepiColombo enfrontarà un entorn extrem a Mercuri, amb temperatures que oscil·len entre menys de cent vuitanta a quatre-cents cinquanta graus centígrads. A més, la radiació solar és deu vegades més gran que a la Terra. Per suportar aquestes condicions, hem desenvolupat tecnologies avançades, com un innovador sistema de control tèrmic i un recobriment especial cosit a mà per aïllar el satèl·lit.
D'on ve el nom d'aquesta missió? És un nom força peculiar: BepiColombo. En realitat, és degut a un científic, matemàtic i físic italià anomenat Giuseppe Colombo. En italià, Giuseppe té una versió curta: Bepi, per la qual cosa se'l coneixia com Bepi Colombo. Ell va ser la persona que va dissenyar la trajectòria d'un satèl·lit perquè es mantingués en una òrbita ressonant amb el planeta Mercuri, realitzant sobrevols a prop d'altres planetes.
Figura 6. Giuseppe Colombo
Gràcies a aquests sobrevols, la missió Mariner 10, que va ser la primera a sobrevolar Mercuri, va tenir èxit. En honor a aquest científic, es va decidim anomenar així la nostra missió.
Ara parlem una mica sobre el nostre viatge cap a l'interior del sistema solar. Pot ser que aquesta gràfica (figura 7) sembli una mica complicada, però no ho és. Explicaré dues coses perquè s'entengui millor. Els punts que apareixen a la imatge representen les trobades i maniobres d'assistència gravitatòria que hem realitzat amb altres planetes: un a la Terra (després del llançament), dos a Venus i sis a Mercuri.
Figura 7. Apropament de BepiColombo als diferents planetes interiors
Tenim un sistema de propulsió elèctrica que ens permet frenar. És fonamental perquè, si enviéssim el satèl·lit en línia recta, la gravetat del Sol faria que ens passéssim de llarg. No podríem frenar prou per igualar la nostra velocitat relativa amb la de Mercuri al voltant del Sol i ser capturats a la seva òrbita. Per això utilitzem aquestes maniobres de sobrevol i el sistema de propulsió elèctrica per desaccelerar gradualment i adaptar la nostra trajectòria a la final, la científica, quan arribem al planeta.
A la gràfica, el que apareix en verd representa el que ja hem fet. Totes les maniobres d’assistència gravitatòria s’han completat, mentre que les línies en vermell indiquen l’ús del sistema de propulsió. Fins ara ho hem utilitzat poc, però a partir d'aquest punt ho farem servir pràcticament de manera contínua fins al 2026.
Pel que fa a la comunicació amb el satèl·lit, comptem amb un segment terrestre. Tenim un centre de control a Alemanya, que és l'encarregat de comunicar-se amb el satèl·lit, enviar senyals amb la programació científica i rebre les dades. A Madrid, hi ha el Centre d'Operacions Científiques, on es coordinen les observacions i les peticions dels diferents instruments a bord del satèl·lit, optimitzant els recursos i enviant el pla a Alemanya per transmetre'ls al satèl·lit.
A més, comptem amb una xarxa d'antenes per a l'enviament i la recepció de senyals. Atès que és una missió conjunta amb el Japó, treballem en estreta col·laboració amb el centre de control japonès i amb els equips d'instruments distribuïts a tot Europa.
L'arribada a Mercuri serà una de les fases més crítiques de la missió, i es farà en un parell d'anys, al setembre. Durant sis mesos, farem maniobres crucials i separarem els mòduls de la nau. Primer, al setembre, es desacoblarà el mòdul de transferència. A continuació, la resta del satèl·lit, encara assemblat, realitzarà la inserció en òrbita. Un cop en òrbita, se separarà primer l'orbitador japonès, que quedarà a la seva òrbita científica. Després, es desacoblarà l'escut solar, que protegia el satèl·lit japonès de la radiació solar durant el viatge. Això passarà aproximadament al desembre, coincidint amb el Nadal del 2026. Finalment, el satèl·lit europeu es quedarà a la seva òrbita, que és més àmplia.
Ara parlem més de Mercuri i menys de BepiColombo. Aquí tenim una imatge de Mercuri (figura 8). És un planeta gris i blanc, amb moltes similituds amb la Lluna. Això no obstant, si ho observem amb altres instruments, podem veure'l des d'una perspectiva diferent, amb colors que revelen informació sobre la seva composició. Això és el que vull compartir avui: com Mercuri és diferent de la Lluna i altres planetes.
Figura 8. Mercuri
Mercuri i la Lluna són tan semblants que, en algunes imatges, costa de distingir-los. Però, encara que siguin similars, també tenen grans diferències, i això és el que explorarem.
Fins ara, hem estudiat Mercuri amb dues missions: Primera la Mariner 10, i després la Messenger que va orbitar el planeta durant diversos anys i la missió del qual va finalitzar fa una dècada. Gràcies a Messenger, avui tenim el millor coneixement sobre Mercuri.
Mercuri és el planeta més proper al Sol i el més petit del sistema solar, potser per això ha estat tan poc explorat. Tot i això, és un món fascinant.
Mercuri és l'únic planeta, a més a més de la Terra, que té un camp magnètic. També té gel, la qual cosa és sorprenent pel seu entorn extrem. La Lluna també té gel, cosa que reforça les seves similituds.
Un altre aspecte que m'interessa molt són els volcans. Mercuri té volcans, encara que no són actius. No en necessita: la calor del planeta ja és suficient.
Per mi, Mercuri és clau per entendre el que passa fora del nostre sistema solar. Actualment, coneixem uns 7,500 exoplanetes, i la majoria estan molt a prop de les seves estrelles, igual que Mercuri respecte del Sol. Si comprenem millor Mercuri, podrem entendre millor aquests sistemes exoplanetaris.
Una altra teoria fascinant és que la formació de Mercuri podria haver estat similar a la de la Lluna. Es creu que un impacte massiu amb un proto-Mercuri podria haver-li donat les seves característiques úniques.
L'interior de Mercuri és especialment interessant. Té un nucli sòlid i un altre de líquid, una cosa molt similar a la Terra. Aquesta combinació és necessària per generar un camp magnètic. Així que, encara que Mercuri s'assembli a la Lluna a la superfície, el seu interior s'assembla més al de la Terra (figura 9).
Figura 9. L'interior de Mercuri
BepiColombo ens ajudarà a investigar més sobre el camp magnètic, l'exosfera i altres misteris de Mercuri. L'exosfera, que és una atmosfera extremadament tènue, està formada per molècules expulsades de la superfície a causa del vent solar i els impactes d'asteroides.
Un dels misteris més intrigants són les "hollows" (forats o depressions) a la superfície de Mercuri (figura 10). Són estructures geològiques petites, joves i brillants que no s'han vist a cap altre planeta del sistema solar. Es creu que podrien estar relacionades amb l'alliberament de gasos de la superfície degut a la calor del Sol, però necessitem més dades per confirmar-ho.
Figura 10. Hollow a Mercuri
Al pol nord i sud de Mercuri hi ha cràters que mai no reben llum solar i al seu interior s’hi ha detectat gel d'aigua. Aquest gel podria haver arribat mitjançant cometes o asteroides. BepiColombo, amb la seva òrbita polar, passarà cada tres hores sobre aquestes regions i farà observacions per confirmar la seva composició.
El camp magnètic de Mercuri és 100 vegades més feble que el de la Terra, però continua sent un laboratori ideal per entendre millor com funciona el camp magnètic terrestre, especialment en èpoques d'alta activitat solar. Per primera vegada, gràcies a BepiColombo, estudiarem el camp magnètic de Mercuri amb dues naus simultàniament: europea i japonesa. Això ens permetrà entendre millor la seva interacció amb el vent solar i la magnetosfera.
A Mercuri hi ha dos tipus diferents de volcans: efusius i explosius. En aquesta imatge podem veure els dos tipus a la mateixa foto (figura 11). A la dreta veiem un cràter antic, ple de magma de lava que ja s'ha solidificat, però es veu que la superfície és llisa i d'un color una mica diferent. Aquest és el tipus de volcà efusiu. I a l’esquerra hi ha un volcà explosiu. Es nota perque és més brillant al voltant. En aquest tipus de volcans, la pols s'acumula als costats.
Figura 11. Dos tipus diferents de vulcanisme a Mercuri: efusiu (dreta) i explosiu (esquerra)
Hi ha moltíssims volcans a Mercuri, cosa que és molt interessant. Una cosa que encara no sabem bé sobre els volcans, i volem estudiar-ho amb BepiColombo per entendre millor és l'edat d'aquests volcans. N'hi ha que són molt antics segurament, però també sembla que hi ha volcans que són molt joves. Joves, en aquest context, vol dir mil milions d'anys, no tan recents com ahir. Tot i això, els volcans de Mercuri van començar fa quatre mil milions d'anys, i encara no sabem exactament quan van cessar les erupcions.
Sabem que l'activitat volcànica va assolir el màxim just a l'inici de la història del planeta. Estem investigant fins quan va continuar, però no ho sabem amb certesa. Pel que fa als volcans explosius, en aquest cas no en sabem res. Alguns investigadors creuen que són molt antics, mentre que altres sostenen que són relativament joves. Necessitem més dades per entendre realment el que ha passat, i això éss el que farem amb Mercuri, perquè amb BepiColombo comptem amb més instruments científics per analitzar-ne la superfície en detall.
També vull parlar-vos una mica sobre els instruments que tenim a bord. És una missió composta per dos satèl·lits. Al mòdul europeu hi ha onze instruments, mentre que al mòdul japonès n'hi ha cinc. Aquests instruments han estat construïts a diferents països d'Europa, amb contribucions també d'Amèrica, Rússia i altres indrets. Entre els instruments tenim càmeres, espectròmetres, detectors de partícules i de pols, i un magnetòmetre.
Els instruments japonesos estan dissenyats per estudiar la magnetosfera i l'exosfera del planeta. Són molts instruments en total. Els dos satèl·lits tenen destinacions diferents, i per això en són dues. Com podeu veure, aquesta missió és una gran col·laboració internacional.
El mòdul europeu s'acostarà molt al planeta, arribant fins a uns 500 quilòmetres de la superfície al punt més proper i fins a 1,500 quilòmetres al punt més llunyà. El satèl·lit japonès, en canvi, orbitarà a més distància, ja que el seu objectiu principal és l'estudi de la magnetosfera i l'exosfera. En el cas del mòdul europeu, ens interessa observar directament la superfície de Mercuri, per la qual cosa ens cal apropar-nos més.
Figura 12. Òrbites del mòdul europeu i japonès
Els instruments estan distribuïts en diferents punts del satèl·lit. Una cosa que he esmentat de passada, al principi, és que tenim una configuració especial amb tres o quatre mòduls units durant la fase de creuer.
Durant el creuer els instruments no poden operar. No és possible prendre imatges ni fer anàlisis de Venus o de la Terra. No han pogut fer res en aquesta fase, cosa que és una pena. No obstant això, vam tenir sort perquè hi ha tres càmeres col·locades al mòdul de transferència, gràcies a les quals hem pogut prendre imatges gairebé diàriament per comprovar el funcionament dels mecanismes del satèl·lit.
A més, durant els sobrevols hem capturat imatges dels planetes. Tenim imatges de la Terra i dues de Venus. També hem realitzat tres sobrevols de Mercuri, fotografiant diferents regions del planeta.
En un dels sobrevols de l'any passat, al setembre, vam aconseguir acostar-nos com mai abans a un altre planeta: a 165 quilòmetres de Mercuri (figura 13). Va ser un acostament molt complex, però les imatges obtingudes són espectaculars i recorden molt les de la missió Messenger. Al desembre es va fer el cinquè sobrevol.
Figura 13. Màxim acostament a Mercuri
BepiColombo porta un instrument particularment rellevant, MERTIS, que és un espectròmetre que estudiarà la superfície de Mercuri en l'infraroig. Això no es pot fer des de la Terra a causa de l'atmosfera que impedeix l'observació en aquest rang. A més, missions anteriors com ara Mariner 10 o Messenger no comptaven amb un instrument d'aquest tipus. És la primera vegada que podrem veure Mercuri a l'infraroig.
Aquesta imatge és històrica (figura 14) i cal analitzar les dades detalladament. A la imatge s'aprecia un petit cràter l'emissió tèrmica del qual és diferent de la de la resta del planeta. Els científics estan estudiant aquestes dades perquè resulten molt noves i interessants.
Figura 14. Mercuri en infraroig
L'últim sobrevol, realitzat fa aproximadament un mes, va passar just sobre el pol nord de Mercuri. Com hem dit abans, als cràters d'aquesta regió el Sol mai no arriba directament, cosa que permet l'acumulació de gel. Amb aquest tipus de càmera no podem veure amb certesa si el gel és d’aigua o d’un altre material, ja que la seva funció principal és la captura d’imatges. Tot i això, BepiColombo realitzarà més estudis en el futur per investigar aquest aspecte.
Bé, espero que hagueu gaudit d'aquest recorregut científic per Mercuri i que us hagi resultat interessant conèixer els descobriments que podrem fer amb aquesta missió impressionant. Nosaltres parlem d'aquesta missió amb molta passió, com podeu veure, perquè hi hem dedicat molts anys i sabem l'enorme esforç que hi ha al darrere.
Us animem a seguir les notícies a xarxes socials i no dubteu a fer preguntes sobre la missió. Encara ens queden dos anys de propulsió elèctrica per continuar frenant fins assolir la velocitat, energia i moment necessaris per entrar en òrbita.
A partir del setembre del 2026 començarà un període crític de sis mesos amb maniobres de separació i inserció orbital, seguit del desacoblament dels mòduls. Finalment, a l'abril del 2027 començarà la fase científica de la missió.
La missió està planificada inicialment per a un any d'observació contínua, però la nostra intenció és estendre-la tant com ho permeti la tecnologia.
Col·loqui
Quan la missió finalitzi i els satèl·lits ja no siguin operatius, com es té previst eliminar-los? Quedaran orbitant Mercuri o què passarà amb ells?
En principi, el satèl·lit japonès, a causa de la degradació de la seva òrbita i la manca de capacitat per corregir-la, s'acabarà estavellant contra la superfície del planeta en uns anys. El satèl·lit europeu, en canvi, es podrà mantenir en òrbita fins a 50 anys, encara que eventualment la tecnologia deixarà de funcionar i la comunicació es perdrà. Finalment, també acabarà impactant contra Mercuri.
La cua de sodi que té Mercuri serà possible observar-la des del BepiColombo? Potser des del mòdul japonès?
És clar, sí, aquesta és la idea. Tots dos satèl·lits estan dissenyats per fer aquestes observacions. Al mòdul MPO, el mòdul europeu, hi ha quatre instruments dedicats a mesurar la cua de sodi, així com altres espècies químiques dins de l'exosfera de Mercuri. Els japonesos també compten amb un instrument especialitzat en aquest estudi, a més d'analitzar la pols present a l'exosfera. Aquestes dades es recopilaran en un model tridimensional.
Es generarà un mapa 3D de l'exosfera de Mercuri i els japonesos faran el mateix però amb un enfocament més extern. D'aquesta manera, obtindrem un model tridimensional detallat de la cua de sodi a Mercuri.
M'ha semblat sentir que la propulsió del satèl·lit es basa en l'acceleració d'ions d'un gas noble. Com s'ionitza aquest gas abans de propulsar-lo? S'ionitza al mateix satèl·lit o ja ve ionitzat de fàbrica?
No, el gas s'ionitza al satèl·lit mateix. Això s'aconsegueix mitjançant escalfament, cosa que permet la separació dels ions. L'acceleració es realitza mitjançant unes reixetes ubicades a la zona de sortida del propulsor. Aquestes reixetes, en aplicar un voltatge molt alt, acceleren els ions i generen la propulsió.