Pronóstico para Titán: Estrellas son cruciales para estudiar la atmósfera de la luna de Saturno

En el campo de la astronomía, la inspiración puede llegar de forma inesperada. Eso fue lo que ocurrió en noviembre de 2021, cuando un grupo de astrónomos almorzaba y discutía un punto de interés común: La luna más grande de Saturno, Titán. Durante su discusión, Martin Cordiner, investigador en astroquímica y ciencias planetarias del Centro Espacial Goddard de la NASA, mencionó algunos datos interesantes sobre un artículo científico publicado recientemente en el que había trabajado sobre los vientos atmosféricos de Titán. Las conclusiones extraídas de este estudio plantearían un misterio, y resolverlo no sólo requeriría las capacidades de ocho telescopios diferentes repartidos en dos países para capturar una alineación fortuita de la Tierra, Titán y una estrella distante, sino que también reuniría a un equipo internacional de astrónomos.

¿Sabías que… todas las montañas de Titán llevan el nombre de montañas de la Tierra Media? Este es el mundo ficticio en la trilogía del Señor de los Anillos creado por J.R.R. Tolkien (1892–1973). Algunos ejemplos incluyen Los Montes Angmar, en honor a las Montañas de Angmar, y los Montes Moria, en honor a las Montañas de Moria

“Fue una oportunidad de aprender algo nuevo”, menciona Eliot Young, científico principal del Departamento de Estudios Espaciales del Southwest Research Institute. “Ciertamente fue un testimonio de la importancia de reunirse con las personas de forma presencial y no sólo por Zoom”.

Titán es el único mundo en nuestro Sistema Solar, además de la Tierra, que posee una atmósfera densa y líquido estable en su superficie, pero a diferencia de la Tierra, los ríos, lagos y mares de Titán están compuestos de hidrocarburos, incluyendo metano y etano, que son compuestos que existen en la Tierra en forma de gas. La temperatura extremadamente fría de Titán convierte estos gases naturales en líquidos, los que luego circulan en la atmósfera en forma de nubes, niebla y precipitaciones, que son las etapas siguientes del ciclo del agua en la Tierra.

Este sistema de circulación atmosférica similar, aunque alternativo, convierte a Titán en un objeto de estudio muy interesante. “Es bastante sorprendente que podamos ver los patrones climáticos de otro planeta”, añade Young. Observar los patrones climáticos de Titán puede ayudarnos a comprender mejor cómo se formó su atmósfera casi tan parecida a la Tierra.

Titán es la luna más grande de Saturno y el único mundo en nuestro Sistema Solar (además de la Tierra) que posee una atmósfera densa y líquido estable en la superficie. Su color naranjo se debe a partículas de hidrocarburos que forman la neblina atmosférica de Titán.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA

Mirando a través de la neblina de Titán

Para estudiar la circulación general de Titán, los astrónomos observan los vientos a diferentes “capas” o altitudes atmosféricas. Esta es una tarea compleja, pues la atmósfera de Titán consiste de neblina tipo “smog” formada por reacciones químicas con moléculas de metano. Para ello, los científicos desarrollaron diferentes técnicas para explorar las capas de neblina de Titán.

Una forma de medir los vientos de Titán consiste en observar una ocultación, una alineación fortuita en la que la luz de una estrella lejana atraviesa la atmósfera de Titán. A medida que la estrella se desplaza por detrás de Titán, los astrónomos pueden medir la lenta atenuación de la luz que produce lo que se denomina una “curva de luz”. En el centro de esta curva de luz, aparece una característica única llamada “destello central”, y sucede cuando la atmósfera de Titán actúa como una lente de refracción y desvía la luz de la estrella hacia un punto focal. Gracias a la óptica adaptativa, los astrónomos pueden incluso obtener imágenes de la luz refractada antes y después del destello central, cuando aparece como dos puntos brillantes en el borde de Titán. Las características de la curva de luz y de la luz refractada revelan información sobre los vientos atmosféricos de Titán. Una ocultación observada en 1989 reveló que los vientos de Titán son más rápidos en latitudes medias septentrionales y meridionales, y más lentos cerca del ecuador.

Impresión artística de la “curva de luz” producida por una estrella que pasa detrás de Titán. El punto máximo al centro de la curva de luz representa el destello central producido por la atmósfera de Titán que actúa como un lente y refracta la luz de la estrella hacia un solo punto focal.

Credit: NASA/ESA/C.Carreau

Otro método para explorar las capas de neblina de Titán utiliza mediciones Doppler del viento. Dependiendo de la velocidad y dirección de los vientos, la frecuencia de la luz emitida por las distintas moléculas de la atmósfera sufrirá un efecto Doppler (como el sonido de la sirena de un auto que se aleja del oyente). Al medir cuánto se desplaza la luz de la molécula, los astrónomos pueden estimar la velocidad a la que se mueven los vientos. Cordiner y sus colegas utilizaron este método para observar Titán en 2016 y 2017 con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en el desierto de Atacama, en Chile. Sin embargo, estas mediciones mostraron vientos rápidos en el ecuador y vientos lentos en las latitudes norte y sur, contradiciendo los resultados de las observaciones de ocultación de 1989.

“Es bastante sorprendente que podamos ver los patrones climáticos de otro planeta”.

Cuando Cordiner compartió estos resultados con sus compañeros de almuerzo, la discrepancia despertó el interés del resto del grupo. Young, que tiene experiencia en la observación de ocultaciones, se dirigió a Juan Lora, profesor adjunto de ciencias planetarias de la Universidad de Yale, que había estado trabajando en el modelado de la circulación global de la atmósfera de Titán, y le preguntó qué comportamiento mostraban sus modelos de estudio. Para sorpresa de todos, Lora dijo que sus modelos coincidían en gran medida con los resultados de la ocultación, pero con algunas asimetrías adicionales, mostrando vientos rápidos en latitudes medias que oscilan de año en año entre el hemisferio norte y el hemisferio sur. Se hizo evidente que la comprensión actual de los vientos de Titán tenía algunas lagunas importantes, y esto desencadenaría un esfuerzo colaborativo para conciliar los datos con los modelos.

“Esto parecía una forma realmente alentadora de resolver un conflicto entre dos observaciones que deberían ser buenas y compararlas con un modelo, así que eso es lo que decidimos hacer… Y con el grupo de ALMA, el grupo de ocultación y el grupo de modelado logramos una colaboración bastante grande”, dice Young.

Se “armó” el equipo

Young sabía de la existencia de dos ocultaciones próximas que presentarían la oportunidad perfecta para obtener nuevos datos, pero para conseguir tiempo en los telescopios adecuados, el equipo tendría que comenzar de inmediato. Conor Nixon, astrónomo y científico planetario del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y miembro del grupo ALMA, convocó a sus colegas para que le ayudaran a redactar propuestas de observación, cuyo éxito determinaría el destino del proyecto.

“Las ocultaciones son cosas muy especiales e inusuales, así que poder observar una desde la Tierra es una oportunidad increíble”.

Observar una ocultación es como observar un eclipse solar: hay que estar en el lugar adecuado y en el momento adecuado. Para captar con precisión el acontecimiento, los astrónomos deben utilizar un telescopio situado dentro de la sombra de Titán en la Tierra. Por suerte, el 5 de septiembre de 2022, la sombra de Titán pasaría justo por encima de Hawai‘i donde se encuentran el Infrared Telescope Facility (IRTF) de la NASA, el Observatorio W. M. Keck, el Faulkes Telescope North y Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, que opera NOIRLab de NSF y AURA. Y el 30 de noviembre de 2022, la sombra de Titán pasaría sobre Chile, donde se encuentran el Very Large Telescope (VLT), ALMA, el Telescopio de Investigación Astrofísica del Sur (SOAR) y Gemini Sur, la mitad austral del Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de NSF y AURA.

El uso de múltiples telescopios permitiría al equipo observar la ocultación en una amplia gama de longitudes de onda, cada una de las cuales revelaría una perspectiva ligeramente diferente del acontecimiento. Además, tendrían la seguridad de que, en caso de que alguno de los instrumentos llegara a fallar, contarían con copias de seguridad. “Con un acontecimiento tan raro, no hay que correr riesgos”, afirma Nixon.

Mapas de predicción que muestran la trayectoria de la sombra de Titán durante cada evento de ocultación. El ancho de la sombra tiene el mismo tamaño que Titán, unos 6.000 kilómetros. Izquierda: La trayectoria central de la sombra de Titán pasó directamente sobre Hawai‘i. Derecha: La región exterior de la sombra de Titán pasó sobre Chile.

Credit: Observatorio Lowell/Larry Wassermann

Con los plazos de las propuestas de observación cada vez más cerca, reservar tiempo en todos estos telescopios fue todo un desafío, por lo que el equipo tuvo que solicitar la ayuda de otros astrónomos. Para conseguir tiempo en Faulkes North, Nixon se puso en contacto con Nick Lombardo, un estudiante de posgrado de Yale que trabajó con Lora en el modelado de Titán. Para conseguir tiempo en el Keck, Young se puso en contacto con una antigua colega suya, Imke de Pater, profesora de la Universidad de California en Berkeley, que tiene experiencia en la observación de Titán con el Keck como parte del Programa Twilight Zone. De Pater recurrió a una antigua alumna suya, Katherine de Kleer, profesora adjunta de ciencias planetarias en Caltech, para que presentara la propuesta. De Kleer también invitó a su estudiante de posgrado, Tess Marlin (que estaba interesada en investigar a Titán) a acompañar a De Pater en el Keck para la primera ocultación. “Estaba muy contenta por unirme porque las ocultaciones son cosas muy especiales e inusuales, así que poder observar una desde la Tierra es una oportunidad increíble”, dice Marlin.

Gracias al esfuerzo conjunto de todos los involucrados, las ocho propuestas fueron aceptadas y el equipo estaba listo para observar ambas ocultaciones.

Observando las ocultaciones

El 5 de septiembre, Marlin y de Pater llegaron a Maunakea, el volcán hawaiano inactivo donde se encuentra el telescopio Keck. Esa misma noche, a sólo unos cientos de metros de distancia, los operadores de telescopios de Gemini Norte y del IRTF de la NASA también observarían el acontecimiento. Y Lombardo, situado a unos 130 kilómetros al norte, en el Observatorio Haleakalā de Maui, observaría desde Faulkes North.

La ocultación iba a durar sólo seis minutos y medio, por lo que el equipo tenía que asegurarse que sus instrumentos estuvieran listos para funcionar. Pero un problema de instrumentación en el Keck hizo que los corazones de Marlin y de Pater se aceleraran: “Había tanta expectación por este pequeño acontecimiento… Pensábamos: '¿Y si no lo arreglamos a tiempo? Nos perderemos la ocultación'”, añadió Marlin. Afortunadamente, el rápido trabajo permitió resolver el problema y lograr una observación exitosa.

Al día siguiente, ALMA recogería con éxito mediciones Doppler del viento de la atmósfera de Titán para reproducir los interesantes perfiles de viento que pusieron en marcha todo este proyecto. Estos datos se compararán con los datos de ocultación con la esperanza de determinar el origen de las discrepancias, ya sea por un error de usuario, limitaciones del instrumento, “o simplemente porque hay algo básico que aún no entendemos”, explica Young.

“Los datos en ausencia de un modelo no aportan mucha comprensión, y los modelos en ausencia de datos pueden ser engañosamente correctos”.

Unos meses más tarde, el equipo se preparaba para observar la ocultación del 30 de noviembre. Este evento sería aún más breve, con una duración de sólo 200 segundos. Algo de humedad extra en la zona de Cerro Pachón superó las condiciones óptimas de observación de Gemini Sur, pero no las de SOAR, operado por Julio Camargo del Observatório Nacional, que encontró una breve ventana para tomar las observaciones necesarias. El equipo se conectó por Zoom para presenciar el evento desde el VLT, que estaba más al norte y tenía condiciones de observación más favorables esa noche. “Las primeras imágenes no se veían muy bien”, cuenta Pater riendo, “pero entonces me di cuenta de que aún no habían encendido el sistema de óptica adaptativa. En cuanto lo encendieron, todo se volvió muy claro. La estrella era fenomenal, y pudimos seguir el acontecimiento hasta verla desaparecer detrás de Titán”.

Nixon añade: “Había mucha expectación palpable cuando observábamos el acontecimiento, yo tomaba capturas de pantalla de mi computador mientras veíamos cómo sucedía todo en tiempo real”.

¿Qué viene ahora?

El calendario de estos acontecimientos es algo digno de apreciar. Un año de Titán dura unos 30 años terrestres, lo que significa que las estaciones duran unos 90 meses terrestres. Actualmente, es verano en el hemisferio sur de Titán, pero en 2025 Titán vivirá su equinoccio, un momento crucial en el que cambian las estaciones y la estructura térmica de la atmósfera. Cuando esto ocurra, el flujo de los vientos de Titán cambiará de dirección y comenzará a circular desde el norte hacia el sur. Esto es algo que no ocurre desde 1993, una época anterior a que se pudiera utilizar la óptica adaptativa para tomar imágenes de alta calidad. “Ahora mismo estamos en territorio desconocido”, añade Nixon. Estas mediciones de ocultación previas al equinoccio son necesarias para comprender el comportamiento de los vientos atmosféricos de Titán antes de que se produzca este cambio y para construir un modelo lo más preciso posible.

Una serie de imágenes tomadas durante la ocultación del 5 de septiembre utilizando el sistema de óptica adaptativa del Observatorio Keck. Las imágenes se tomaron con una diferencia de 9 segundos. Si bien la estrella se encuentra detrás de Titán, la atmósfera actúa como un lente, que curva la luz de la estrella y produce proyecciones de la estrella en el borde de Titán.

Credit: Tess Marlin

Actualmente, Marlin está trabajando en el procesamiento de las imágenes de Keck, lo que implica eliminar el ruido de la atmósfera terrestre y la luz del propio Titán para que la imagen de la estrella en el borde de Titán sea más fácil de ver. Y los datos de las observaciones de Gemini Norte y ALMA, así como las curvas de luz obtenidas con SOAR, pronto estarán en manos del equipo. Como ocurre con la naturaleza cíclica del modelado de datos, estos datos se utilizarán para establecer parámetros más ajustados y precisos en los modelos de circulación global existentes de los vientos atmosféricos de Titán, que a su vez se utilizarán para comparar con futuras observaciones.

“Los datos en ausencia de un modelo no aportan mucha comprensión, y los modelos en ausencia de datos pueden ser engañosamente correctos”, dice Young.

Sólo hay unas pocas ocultaciones próximas que puedan tener los parámetros adecuados (es decir: hora, ubicación y brillo de la estrella) para una observación que valga la pena. Si las circunstancias lo permiten, el equipo espera observar más eventos de este tipo para seguir mejorando el modelado. Marlin incluso decidió incorporar este proyecto a su tesis doctoral y se encargará de redactar el artículo una vez finalizado el análisis de todos los datos. “Me siento muy afortunada de formar parte de un grupo tan grande de personas”, afirma. “En la ciencia, a veces el enfoque puede estar más centrado en la competencia, pero este es un entorno de colaboración y ha sido una experiencia increíble”.