Luz verde a la misión EnVision, que estudiará Venus, y LISA, sobre ondas gravitacionales

La Agencia Espacial Europea (ESA) ha dado luz verde a dos misiones fundamentales en el último Comité del Programa Científico de la Agencia: EnVision, que estudiará Venus, y LISA, centrada en las ondas gravitacionales. Ambos programas cuentan con participación española a través de distintos institutos dependientes del Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). La ESA reconoce a través de este paso, formalmente llamado «adopción», que el concepto y la tecnología de ambas misiones están lo suficientemente avanzadas, y da luz verde para construir los instrumentos y la nave espacial.

Por un lado, EnVision estudiará Venus desde su núcleo interno hasta su atmósfera exterior, brindando nuevos conocimientos importantes sobre la historia, la actividad geológica y el clima del planeta. Tras la selección del contratista industrial europeo a finales de este año, pronto comenzarán los trabajos para finalizar el diseño y construir la nave espacial. Según la ESA, está previsto que EnVision se lance en un cohete Ariane 6 en 2031 y a principios de 2035 comience sus operaciones científicas.

El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) encabeza la colaboración española en el proyecto, participando de manera significativa en uno de los cuatro instrumentos principales de la misión. «Cuando hablamos de Venus, hay más preguntas abiertas que respuestas. No sabemos cómo han evolucionado la superficie y el interior del planeta, si hoy en día es activo geológica y tectónicamente, o si ha sido activo en los últimos mil millones de años, cómo se formó su atmósfera y cómo ha evolucionado su clima en consecuencias de los procesos geológicos» afirma Luisa Lara, investigadora principal de la participación del IAA-CSIC en la misión.

«Averiguar qué le pasó durante su evolución para que se convirtiera en un planeta inhóspito tal como es hoy en día es solo uno de los objetivos científicos de EnVision» matiza Gabriella Gilli, investigadora del IAA-CSIC. Esta será la primera misión en investigar simultáneamente la historia, la actividad y el clima de Venus.

Y es que se trata del planeta más próximo a la Tierra (mucho más que Marte) y muy similar en masa y tamaño. Sin embargo, a diferencia del nuestro, no es un lugar agradable para visitar. De los cuerpos rocosos del Sistema Solar, tiene la atmósfera más densa y está completamente cubierto por capas de espesas nubes, compuestas principalmente de ácido sulfúrico. La superficie de Venus tiene una temperatura abrasadora de 464 °C en promedio, con una presión de aire aplastante, 92 veces mayor que la que experimentamos en la superficie de la Tierra. Esto hace que nos cuestionemos ¿cómo y cuándo el gemelo de la Tierra se volvió tan inhóspito?

Ciencia con EnVision

Las mediciones que realice EnVision ayudarán a desentrañar misterios clave de nuestro vecino. Por ejemplo, revelará cómo los volcanes, las placas tectónicas y los impactos de asteroides han dado forma a la superficie de Venus, y cuán geológicamente activo es el planeta hoy. La misión también investigará el interior del planeta, recopilando datos sobre la estructura y el espesor del núcleo, el manto y la corteza. Por último, estudiará el tiempo y el clima en Venus, incluida cómo se ven afectados por la actividad geológica en el suelo.

Para permitir esta investigación llevará un amplio conjunto de instrumentos científicos. Será la primera misión que sondee directamente debajo de la superficie de Venus, utilizando su sonda de radar subterránea. Un segundo instrumento de radar, VenSAR, mapeará la superficie con una resolución de hasta 10 metros y determinará propiedades como la textura. Tres espectrómetros diferentes estudiarán la composición de la superficie y la atmósfera. Y un experimento de radiociencia utilizará ondas de radio para estudiar la estructura interna del planeta y las propiedades de la atmósfera.

EnVision se unirá a la flota científica de exploradores del Sistema Solar de la ESA. Será la segunda misión europea al planeta vecino tras Venus Express (2005-2014), que se centró en la atmósfera del planeta, pero también realizó descubrimientos espectaculares que apuntaban a posibles puntos calientes volcánicos en la superficie. El estudio de la atmósfera ha continuado con la misión Akatsuki de la Agencia Espacial Japonesa (JAXA), que todavía sigue activamente el movimiento atmosférico y el clima venusino.

Previamente, las misiones Mariner y Pioneer de la NASA (de 1960 y 1970), Venera y Vega de la Unión Soviética (de 1960 a 1980) y la misión cartográfica por radar Magallanes de la NASA (1990-1994) pintaron la imagen de un mundo seco, con paisajes moldeados por volcanes y una intensa actividad geológica. Descubrieron vastas llanuras marcadas por coladas de lava, bordeadas por tierras altas y montañas. El instrumento VenSAR de EnVision, que se espera sea aportado por la NASA, mapeará la superficie de Venus con una resolución mucho mayor que la de Magallanes, distinguiendo características de la superficie incluso diez veces más pequeñas.

Esta vez EnVision no estará sola en su viaje. La NASA también ha seleccionado dos nuevas misiones a Venus como parte de su Programa Discovery: DAVINCI (dedicado a la investigación de gases nobles, química e imágenes del planeta en atmósfera profunda) y VERITAS (emisividad, radiociencia, InSAR, topografía y espectroscopia). Juntos proporcionarán el estudio más completo jamás realizado sobre Venus.

La participación del IAA-CSIC en EnVision

La contribución del IAA en la misión se centra en el instrumento VenSpec, una suite conformada por tres espectrómetros (U, H y M) para observar en longitudes de onda desde el visible hasta infrarrojo cercano. En concreto, VenSpec-U permitirá analizar la atmósfera del planeta por encima de su capa de nubes y VenSpec-H, un espectrógrafo de alta resolución, medirá las capas atmosféricas más próximas a la superficie del planeta, tanto los posibles gases volcánicos y su variabilidad como los aerosoles que componen las nubes de Venus. Por último, VenSpec-M será capaz de estimar la radiación térmica y las propiedades espectrales de la propia superficie del planeta.

«No es posible comprender la superficie de Venus sin entender también su atmósfera. VenSpec nos permitirá establecer bien dicha interrelación» explica la investigadora Luisa Lara. «Por ejemplo, VenSpec-M podrá descubrir una erupción volcánica activa en la superficie de Venus al detectar lava caliente, mientras VenSpec-H determina simultáneamente la cantidad de vapor de agua liberada por el volcán a la superficie y VenSpec-U registra la distribución de dióxido de azufre en la atmósfera alta como firma de esta erupción volcánica».

Diagrama de bloques de la suite de VenSpec. Imagen: ESA

Toda la suite VenSpec está siendo gestionada y coordinada por el Instituto de Ciencias Planetarias del DLR (Centro Alemán Aeroespacial) en Berlín. El IAA-CSIC contribuye tanto en el desarrollo tecnológico como en el retorno científico de la misión, siendo responsable del módulo de suministro de potencia de VenSpec-U y VenSpec-H; así como del diseño y desarrollo de la unidad central de control (CCU) de los tres canales (U, H y M).  El equipo de técnicos del IAA-CSIC responsable del desarrollo tecnológico está conformado por Fernando Álvarez, José M. Castro, Fernando Girela, Jaime Jiménez, Ignacio Martín-Navajas y Álvaro Mazuecos.

La preparación y retorno científico de la misión por parte del IAA-CSIC recae en las investigadoras Gabriella Gilli y Luisa M. Lara y el investigador Aurelien Stolzenbach. La contribución española se completa con la participación de miembros de la Universidad del País Vasco como parte de los equipos científicos de VenSpec U y H.

«Con EnVision se abre una nueva y prometedora etapa en la investigación de Venus, cuya atmósfera es un laboratorio natural para comprender mejor el efecto invernadero y cómo podría llegar a ser la evolución de nuestro planeta en el futuro» concluye Gabriella Gilli.

LISA, el primer observatorio de ondas gravitacionales

El segundo proyecto adoptado es la misión LISA (Laser Interferometer Space Antenna), el primer esfuerzo científico para detectar y estudiar ondas gravitacionales desde el espacio. La contribución científica en España está liderada por el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). Este trabajo comenzará en enero de 2025, una vez se haya elegido un contratista industrial europeo.

LISA no es sólo una nave espacial sino una constelación de tres. Estas seguirán la órbita de la Tierra alrededor del Sol, formando un triángulo equilátero extremadamente preciso en el espacio. Cada lado del triángulo tendrá 2,5 millones de kilómetros de largo (más de seis veces la distancia entre la Tierra y la Luna), y las naves intercambiarán rayos láser a lo largo de esta distancia. El lanzamiento de las tres naves espaciales está previsto para 2035, también en un cohete Ariane 6.

Hace poco más de un siglo, Einstein hizo la revolucionaria predicción de que cuando los objetos masivos se aceleran, sacuden el tejido del espacio-tiempo, produciendo unas ondas minúsculas conocidas como ondas gravitacionales. Gracias a los avances tecnológicos modernos, ahora es posible detectar estas señales tan esquivas.

LISA detectará a través de todo el universo las ondas en el espacio-tiempo provocadas por la colisión de enormes agujeros negros en los centros de las galaxias. Esto permitirá al equipo rastrear el origen de estos objetos, representar su crecimiento hasta alcanzar millones de veces más masa que la del Sol y determinar el papel que desempeñan en la evolución de las galaxias.

«Es un esfuerzo que nunca antes se había intentado. Utilizando rayos láser a distancias de decenas de kilómetros, la instrumentación terrestre puede detectar ondas gravitacionales procedentes de eventos que involucran objetos del tamaño de las estrellas, como explosiones de supernovas o fusiones de estrellas hiperdensas y agujeros negros de masa estelar. Para ampliar las fronteras de los estudios gravitacionales debemos ir al espacio», explica Nora Lützgendorf, científica líder del proyecto.

Interpretación artística de los satélites de la misión LISA en el Sistema Solar. Imagen: Universidad de Florida / Simon Barke

Poniendo sonido a la película del universo

La misión está preparada para capturar el sonido gravitacional de los momentos iniciales de nuestro universo, que predicen las teorías actuales, y ofrecer un atisbo directo de los primeros segundos después del Big Bang. Además, puesto que las ondas gravitacionales contienen información sobre la distancia de los objetos que las emitieron, LISA ayudará al equipo a medir el cambio en la expansión del universo con un criterio diferente a las técnicas utilizadas por la misión espacial Euclid y otros estudios, validando sus resultados.

En nuestra galaxia, LISA detectará muchos objetos compactos fusionándose, como enanas blancas o estrellas de neutrones, y nos brindará una visión única de las etapas finales de la evolución de estos sistemas. Al identificar su posición y distancias, LISA mejorará nuestra comprensión de la estructura de la Vía Láctea.Para detectar ondas gravitacionales, LISA utilizará cubos macizos de oro y platino, conocidos como masas de prueba (ligeramente más pequeñas que los cubos de Rubik), que flotan libremente en una carcasa especial en el corazón de cada nave espacial. Las ondas gravitacionales provocarán pequeños cambios en las distancias entre las masas en las diferentes naves espaciales y la misión rastreará estas variaciones mediante interferometría láser.

Esta técnica requiere disparar rayos láser de una nave espacial a otra y luego superponer su señal para determinar cambios en las distancias de las masas hasta unas milmillonésimas de milímetro. La nave espacial debe diseñarse de modo que nada, excepto la propia geometría del espacio-tiempo, afecte el movimiento de las masas en caída libre.

Esquema de la misión LISA. Imagen: ESA / ATG Medialab

La contribución española a LISA

Liderada por la ESA, LISA es posible gracias a la colaboración entre la ESA, la NASA y un consorcio internacional de científicos y científicas, el consorcio LISA. La contribución española está liderada por el ICE-CSIC, junto con el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC), a través de investigadores todos ellos miembros afiliados del IEEC.

La contribución española se centra en el Subsistema de Diagnóstico Científico (SDS, por sus siglas en inglés), uno de los tres principales subsistemas de vuelo. Su objetivo es medir las perturbaciones ambientales a bordo de cada uno de los satélites de la constelación para diferenciarlas del efecto que producirían las ondas gravitacionales. El SDS contará con sensores de temperatura, campo magnético y radiación en cada satélite.

«Para detectar ondas gravitacionales, LISA medirá el desplazamiento entre masas en caída libre en cada uno de los tres satélites en el espacio a un nivel sin precedentes hasta el nivel del picómetro, aproximadamente el tamaño de los átomos», afirma Miquel Nofrarias, investigador experimental de ICE-CSIC e IEEC, y miembro del Consorcio LISA. «Los sensores SDS deberán alcanzar niveles de precisión y estabilidad también sin precedentes en el espacio para poder diferenciar el efecto de las pequeñas fluctuaciones ambientales del producido por una onda gravitacional», añade.

Además de la contribución al instrumento LISA, el ICE-CSIC también liderará el desarrollo de un Centro de Distribución de Datos en España junto con los algoritmos necesarios para su explotación científica. «El principal objetivo es dotar a la comunidad científica española de las herramientas necesarias para hacer realidad el potencial científico de LISA, de modo que podamos realizar descubrimientos revolucionarios con impacto en Astrofísica, Cosmología y Física Fundamental», afirma Carlos F. Sopuerta, investigador del ICE-CSIC y del IEEC y miembro del equipo de estudio científico de la ESA para la misión LISA.

La nave espacial sigue los pasos de su predecesora LISA Pathfinder, que demostró que es posible mantener las masas de prueba en caída libre con un nivel de precisión asombroso. La contribución española a LISA Pathfinder, lanzada en 2015, también estuvo liderada por el ICE-CSIC y el IEEC en el marco del grupo de investigación de Astronomía Gravitacional del ICE-CSIC.