El paisaje magnético de Mercurio cartografiado en 30 minutos

Cuando BepiColombo pasó a toda velocidad por Mercurio durante su vuelo de junio de 2023, encontró una variedad de características en el campo magnético del diminuto planeta. Estas mediciones brindan una tentadora muestra de los misterios que la misión se propone investigar cuando llegue a la órbita del planeta más interior del Sistema Solar.

La magnetosfera de Mercurio durante el tercer sobrevuelo de BepiColombo (sin anotaciones). La sonda espacial BepiColombo de la ESA/JAXA atravesó la magnetosfera de Mercurio el 19 de junio de 2023 durante su tercero de seis sobrevuelos al planeta. Utilizando datos recopilados por el Analizador de Espectro de Masas (MSA), el Analizador de Iones de Mercurio (MIA) y el Analizador de Electrones de Mercurio (MEA) del Obiter Magnetosférico de Mercurio dirigido por la JAXA, y combinando estas mediciones con un modelo informático para determinar el origen de los iones detectados en función de su movimiento, se revelaron varias características encontradas a lo largo de la trayectoria de la sonda espacial. Haga clic aquí para obtener una versión etiquetada de este gráfico con una explicación detallada. [Descripción de la imagen: Se muestra una esfera texturizada que representa a Mercurio con líneas de campo magnético comprimidas en el lado que da al sol y que se extienden hacia una cola en el lado nocturno. La trayectoria de la sonda BepiColombo se dibuja atravesando la magnetosfera desde el amanecer hasta el anochecer, cerca de la superficie del planeta. CRÉDITO: ESA, AGRADECIMIENTOS. Trabajo realizado por ATG bajo contrato con la ESA. Gráfico basado en los resultados de Hadid et al (2024).

Al igual que la Tierra, Mercurio tiene un campo magnético, aunque cien veces más débil en la superficie del planeta. No obstante, este campo magnético crea una burbuja en el espacio, llamada magnetosfera, que actúa como amortiguador del flujo continuo de partículas expulsadas por el Sol en forma de viento solar. Debido a que Mercurio orbita tan cerca del Sol, la interacción del viento solar con la magnetosfera e incluso con la superficie del planeta es mucho más intensa que en la Tierra. Explorar la dinámica de esta burbuja y las propiedades de las partículas contenidas en ella es uno de los principales objetivos de la misión BepiColombo . 

Está previsto que BepiColombo llegue a Mercurio en 2026, para lo cual realizará sobrevuelos a la Tierra, Venus y el propio Mercurio para ajustar su velocidad y trayectoria y poder colocarlo en órbita alrededor del planeta. Las naves espaciales, que actualmente están "apiladas", se separarán y desplegarán dos orbitadores científicos (el Orbitador Planetario de Mercurio (MPO) dirigido por la ESA y el Orbitador Magnetosférico de Mercurio (MMO, o Mio) dirigido por la JAXA en órbitas complementarias para permitir las mediciones esenciales de las dos naves espaciales necesarias para pintar una imagen completa del entorno dinámico de Mercurio.

A medida que la nave espacial pasa a toda velocidad por Mercurio durante los sobrevuelos, muchos de sus instrumentos científicos pueden ofrecer un adelanto de la emocionante ciencia que está por llegar. Además, los sobrevuelos brindan información única sobre regiones del planeta a las que no se podrá acceder directamente desde la órbita. 

Lina Hadid, ex investigadora de la ESA que ahora trabaja en el Laboratoire de Physique des Plasmas del Observatorio de París, utilizó el conjunto de instrumentos del Experimento de Partículas de Plasma de Mercurio ( MPPE ) activo en Mio durante el sobrevuelo del 19 de junio de 2023, la tercera de las seis asistencias gravitacionales de BepiColombo a Mercurio, para construir una imagen impresionante del paisaje magnético del planeta en un período de tiempo muy corto.

“Estos sobrevuelos son rápidos; cruzamos la magnetosfera de Mercurio en unos 30 minutos, pasando del anochecer al amanecer y con un máximo de tan solo 235 km sobre la superficie del planeta”, describe. “Obtuvimos muestras del tipo de partículas, de su temperatura y de su movimiento, lo que nos permitió trazar claramente el panorama magnético durante este breve período”.

El viaje de BepiColombo a través de la magnetosfera de Mercurio. Esta sencilla animación muestra la trayectoria de la sonda espacial BepiColombo de la ESA/JAXA a través de la magnetosfera de Mercurio durante su tercer sobrevuelo el 19 de junio de 2023. Mercurio se muestra con líneas de campo magnético comprimidas en el lado que da al sol y que se extienden formando una cola en el lado nocturno. La trayectoria de la sonda espacial está marcada en naranja; se acercó desde el lado del anochecer del planeta y se movió hacia el lado del amanecer, pasando por la superficie del planeta a tan solo 235 km. Solo pasó unos 30 minutos dentro de la magnetosfera, pero pudo recopilar una gran cantidad de información sobre el entorno magnético, de partículas y de plasma a lo largo de su trayectoria durante este corto período de tiempo. [Descripción de la imagen: Esfera giratoria que representa al planeta Mercurio que se muestra con líneas de campo magnético comprimidas en el lado que da al sol y que se extienden formando una cola en el lado nocturno. Una línea que pasa por las líneas del campo magnético desde el anochecer hasta el amanecer y cerca de la superficie del planeta muestra la trayectoria de BepiColombo durante su tercer paso cercano al planeta. CRÉDITO: Sae Aizawa - LPP/CNRS

La combinación de las mediciones de BepiColombo con modelos informáticos para determinar el origen de las partículas detectadas en función de su movimiento permitió a Lina y sus colegas esbozar las diversas características encontradas en la magnetosfera.

“Vimos estructuras esperadas, como el límite de choque entre el viento solar que fluye libremente y la magnetosfera, y también pasamos por los “cuernos” que flanquean la capa de plasma, una región de gas más caliente, denso y cargado eléctricamente que fluye como una cola en dirección opuesta al Sol. Pero también tuvimos algunas sorpresas”.

Lina es la coinvestigadora principal del MPPE y directora de uno de sus instrumentos, el analizador de espectro de masas. Trabajó en el artículo que presenta los resultados con el exdirector del instrumento Dominique Delcourt. 

“Hemos detectado una llamada capa límite de baja latitud, definida por una región de plasma turbulento en el borde de la magnetosfera, y aquí hemos observado partículas con un rango de energías mucho más amplio que el que hemos visto antes en Mercurio, en gran parte gracias a la sensibilidad del Analizador de Espectros de Masas diseñado especialmente para el complejo entorno de Mercurio”, afirma. “BepiColombo podrá determinar la composición iónica de la magnetosfera de Mercurio con mayor detalle que nunca”. 

“También observamos iones calientes energéticos cerca del plano ecuatorial y en baja latitud atrapados en la magnetosfera, y creemos que la única forma de explicarlo es mediante una corriente de anillo, ya sea un anillo parcial o completo, pero esta es un área que es muy debatida”, añade Lina.

Simulación del entorno magnético de Mercurio. Cuando observamos las imágenes de Mercurio de BepiColombo, puede parecer que el espacio alrededor del planeta está vacío. Pero, de hecho, está repleto de partículas: neutras y cargadas, energéticas y lentas. Mercurio tiene un campo magnético que interactúa con partículas del Sol (el "viento solar"). Esto crea la magnetosfera de Mercurio, una burbuja en el espacio que tiene forma de manga de viento que se extiende alejándose del Sol. Esta burbuja cambia constantemente en respuesta al viento solar. Este resultado de una simulación muestra un caso esperado del entorno magnético de Mercurio en condiciones típicas de viento solar. La imagen de la izquierda muestra una "vista lateral" donde el Sol está fuera del marco hacia la izquierda; la imagen de la derecha muestra una "vista frontal", como si estuviéramos mirando a Mercurio desde la dirección del Sol. La simulación se basa en un modelo, no muestra observaciones reales. Los colores indican la densidad de partículas cargadas alrededor de Mercurio, con la densidad más alta mostrada en amarillo y la densidad más baja en violeta/negro. Las líneas blancas son líneas de campo magnético. (Las líneas casi verticales que se extienden desde los polos del planeta son artefactos numéricos y deben ignorarse). El viento solar no perturbado aparece de color naranja oscuro. A medida que el viento solar se encuentra con el campo magnético de Mercurio, se calienta y se desvía, creando una región más densa de partículas de viento solar que se muestra en amarillo. Dentro de esta capa densa, vemos que la cantidad de partículas de viento solar cae muy rápidamente a casi cero, excepto por una corriente que se extiende desde el ecuador. Estudiar la magnetosfera de Mercurio con BepiColombo profundiza nuestra comprensión de cómo funcionan estas burbujas. La mayor parte de nuestro conocimiento actual sobre las magnetosferas se basa en observaciones de los entornos magnéticos mucho más estables de la Tierra, Júpiter y Saturno. En Mercurio, el viento solar es diez veces más fuerte que en la Tierra y mucho más variable. Mientras tanto, el campo magnético interno de Mercurio es 2000 veces más débil que el de la Tierra. Esto da como resultado una magnetosfera diminuta y altamente cambiante que persiste a pesar de carecer de varios componentes que se cree que son clave para la estabilidad de la magnetosfera. BepiColombo estudiará el entorno magnético de Mercurio con mayor detalle que nunca una vez que sus dos naves espaciales (Mercury Planetary Orbiter de la ESA y Mercury Magnetospheric Orbiter de la JAXA) estén en órbitas complementarias alrededor del planeta. Sus instrumentos también se activan durante los sobrevuelos de Mercurio, recopilando datos únicos en este entorno dinámico. CRÉDITO: Willi Exner – ESA & TU Braunschweig

Una corriente anular es una corriente eléctrica transportada por partículas cargadas atrapadas en la magnetosfera. La Tierra tiene una corriente anular bien conocida que se encuentra a decenas de miles de kilómetros de su superficie. En Mercurio, no está tan claro cómo las partículas pueden quedar atrapadas a unos pocos cientos de kilómetros del planeta, especialmente cuando la magnetosfera está aplastada contra la superficie del planeta. Este debate probablemente se resolverá una vez que MPO y Mio estén recopilando datos a tiempo completo. 

Lina y sus colegas también observaron la interacción directa de la nave espacial con el plasma espacial circundante. Cuando la nave espacial se calienta con el Sol, no puede detectar los iones más fríos y pesados ​​porque la propia nave espacial se carga eléctricamente y los repele. Pero a medida que la nave espacial se mueve a través de la sombra del lado nocturno del planeta, la carga es diferente y, de repente, se hace visible un mar de iones de plasma frío. Por ejemplo, detectó iones de oxígeno, sodio y potasio, que probablemente fueron expulsados ​​​​de la superficie del planeta por impactos de micrometeoritos o por interacciones con el viento solar. 

La magnetosfera de Mercurio durante el tercer sobrevuelo de BepiColombo (anotado). La sonda espacial BepiColombo de la ESA/JAXA atravesó la magnetosfera de Mercurio el 19 de junio de 2023 durante su tercero de seis sobrevuelos al planeta. Utilizando datos recopilados por el Analizador de Espectro de Masas (MSA), el Analizador de Iones de Mercurio (MIA) y el Analizador de Electrones de Mercurio (MEA) del Obiter Magnetosférico de Mercurio dirigido por la JAXA, y combinando estas mediciones con un modelo informático para determinar el origen de los iones detectados en función de su movimiento, se revelaron varias características encontradas a lo largo de la trayectoria de la sonda espacial. La trayectoria de BepiColombo se muestra como la línea amarilla en este gráfico, con las diversas características encontradas en el camino etiquetadas como corresponde. A continuación se ofrece una explicación detallada: La primera característica que encontró BepiColombo, a las 18:44:22 Hora Universal (TU), fue la onda de choque. Este es el límite entre el viento solar que fluye libremente y la magnetosfera del planeta. A continuación, cruzó la magnetopausa, que separa el viento solar en choque en la magnetoscopía del resto de la magnetosfera de Mercurio, a las 19:14:00 UT. Las mediciones realizadas entre las 19:10:30 y las 19:27:34 UT revelaron una región de plasma turbulento en el borde de la magnetosfera, que alberga partículas con una amplia gama de energías. Esta región se llama capa límite de baja latitud (LLBL). A las 19:24:25 UT, justo cuando BepiColombo entró en la sombra de Mercurio, los instrumentos MSA y MIA detectaron una intensa firma de iones fríos, mientras que MEA observó una fuerte reducción en el número de electrones. La nave espacial permaneció en la sombra del planeta hasta aproximadamente las 19:39, tiempo durante el cual también detectó iones pesados ​​que reflejan la química de la superficie del planeta. Inmediatamente después del LLBL, a las 19:28:41 UT, BepiColombo encontró iones calientes termalizados y, por primera vez, una población de electrones en la capa de plasma que se extiende a latitudes más altas. La capa de plasma es una región de gas cargado eléctricamente, más caliente y denso, que fluye como una cola en dirección opuesta al Sol. Lo que BepiColombo detectó es característico de los cuernos de la capa de plasma que resultan de la aceleración de los electrones desde la distante cola de plasma hacia el planeta. Desde aproximadamente las 19:32:00 hasta las 19:44:04 UT, la nave espacial viajó a través de una región con iones y electrones de alta energía. La presencia de estos iones energéticos tanto cerca del ecuador como a bajas altitudes (BepiColombo pasó a solo 235 km sobre la superficie del planeta) sugiere firmemente que la nave espacial viajó a través de una tenue corriente de anillo alrededor de Mercurio. Se trata de una corriente eléctrica transportada por partículas cargadas atrapadas en la magnetosfera. La sonda permaneció dentro de la magnetosfera hasta las 19:45:00, cruzando la onda de choque saliente a las 19:52:00 y luego hacia el viento solar "normal" del lado del amanecer, compuesto principalmente de iones de hidrógeno y helio. A lo largo de la misión científica principal de BepiColombo se creará una imagen más clara de los procesos dinámicos en la magnetosfera de Mercurio. [Descripción de la imagen: Se muestra una esfera texturizada que representa a Mercurio con líneas de campo magnético comprimidas en el lado del sol y que se extienden hacia una cola en el lado nocturno. Se dibuja la trayectoria de la sonda espacial BepiColombo pasando por la magnetosfera desde el amanecer hasta el anochecer, cerca de la superficie del planeta. Se representan y etiquetan con texto varias características de la magnetosfera. Siguiendo el orden en el que fueron detectados por la nave espacial, esto incluye el arco de choque, la magnetopausa, la capa límite de baja latitud, la nube de iones fríos, el cuerno de la capa de plasma y la corriente en anillo.] CRÉDITO: ESA: AGRADECIMIENTOS, Trabajo realizado por ATG bajo contrato con la ESA. Basado en los resultados de Hadid et al (2024).

“Es como si de repente estuviéramos viendo la composición de la superficie 'explotada' en 3D a través de la atmósfera muy fina del planeta, conocida como exosfera”, comenta Dominique. “Es realmente emocionante comenzar a ver el vínculo entre la superficie del planeta y el entorno de plasma”.

“En este raro recorrido desde el anochecer hasta el amanecer a través de la estructura a gran escala de la magnetosfera de Mercurio hemos saboreado la promesa de futuros descubrimientos”, dice Go Murakami, científico del proyecto BepiColombo de JAXA. 

“Las observaciones ponen de relieve la necesidad de que los dos orbitadores y sus instrumentos complementarios nos cuenten la historia completa y construyan una imagen completa de cómo cambia el entorno magnético y plasmático a lo largo del tiempo y en el espacio”, añade Geraint Jones, científico del proyecto BepiColombo de la ESA. 

“Estamos ansiosos por ver cómo BepiColombo impactará nuestra comprensión más amplia de las magnetosferas planetarias”.

Mientras tanto, los científicos ya están analizando los datos obtenidos durante el cuarto sobrevuelo cercano a Mercurio del mes pasado , mientras que los controladores de vuelo se están preparando para los dos últimos sobrevuelos consecutivos programados para el 1 de diciembre de 2024 y el 8 de enero de 2025, respectivamente.

Notas para editores

' El entorno de plasma de Mercurio después del tercer paso de BepiColombo ', de Lina Z. Hadid et al., se publica hoy en Nature Communications Physics.

Los resultados se basan en mediciones realizadas con el Analizador de Espectro de Masas (MSA), el Analizador de Iones de Mercurio (MIA) y el Analizador de Electrones de Mercurio (MEA), parte del conjunto de instrumentos del Experimento de Partículas de Plasma de Mercurio a bordo del Orbitador Magnetosférico de Mercurio dirigido por JAXA.

BepiColombo es un esfuerzo conjunto entre la ESA y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA).

Para obtener más información, póngase en contacto con:

Relaciones con los medios de la ESA

media@esa.int

Publicado en ESA el 3 de octubre del 2024, enlace publicación.