Saturno, Afinal!

Titã, mais do que qualquer outro corpo do Sistema Solar, merece ser descrito como um mundo misterioso

Na manhã de 15 de outubro de 1997, na borda de um igarapé infestado de jacarés perto de cabo Canaveral, na Flórida, eu assistia, com milhares de outras pessoas, ao surgimento de uma pequena chama embaixo de um foguete, numa plataforma de lançamento localizada a quilômetros de distância. A mais sofisticada nave espacial não-tripulada de todos os tempos, composta pelo orbitador Cassini e pela sonda Huygens, estava posicionada no topo do veículo lançador, e sete anos de viagens interplanetárias vinham pela frente. Comecei a me envolver no projeto dessa missão quando ainda era aluno de pós-graduação e tive de esperar até a metade da minha carreira para ver seu ponto alto: a primeira exploração prolongada do sistema saturniano.

Espera-se que, neste mês, a nave Cassini-Huygens entre em órbita do segundo maior planeta do Sistema Solar. Os pesquisadores aguardam ansiosamente por esse dia desde que as missões Pioneer 11 e Voyager 1 e 2 aguçaram o seu interesse por Saturno há mais de 20 anos. Embora o planeta seja menor do que Júpiter e sua superfície tenha aparência muito menos violenta, Saturno pode conter pistas vitais para entender a evolução de longo prazo de todos os planetas gigantes gasosos. O séquito de luas de Saturno inclui 30 pequenos satélites gelados e uma lua do tamanho de um planeta, Titã, que possui atmosfera densa e fascina os cientistas, porque poderia revelar como a vida surgiu na Terra. Os pesquisadores também querem descobrir como se formaram os anéis de Saturno e como o intenso campo magnético do planeta afeta suas luas geladas e a atmosfera superior de Titã.

Os cientistas esperam que a Cassini-Huygens repita o sucesso da nave Galileo, que revolucionou nosso conhecimento sobre Júpiter e suas luas durante seus oito anos em órbita. Contudo, há diferenças fundamentais entre essas duas missões. Enquanto a Galileo lançou uma sonda para investigar a atmosfera de Júpiter, o orbitador Cassini vai lançar a sonda Huygens em Titã, e não em Saturno. Ao contrário da Galileo, a Cassini-Huygens é o resultado de um verdadeiro esforço internacional. Embora a Nasa tenha construído o orbitador Cassini e seja a gerenciadora da missão, a Agência Espacial Européia (ESA) desenvolveu a sonda Huygens, e as equipes responsáveis por todos os instrumentos da nave são formadas por europeus e americanos.

Pelo fato de Saturno estar quase duas vezes mais afastado do Sol do que Júpiter – 1,4 bilhão de km contra 780 milhões de km – ele sempre pareceu mais misterioso. Se o compararmos a Júpiter, Saturno tem menos cinturões visíveis e há menos zonas de turbulência de ventos na atmosfera. A magnetosfera de Saturno – a região dominada pelo campo magnético do planeta – é muito mais calma do que a de Júpiter, o que produz um ruído na faixa de rádio, facilmente detectado na Terra. Os astrônomos descobriram em 1943 uma atmosfera em torno de Titã, mas muito pouco se soube sobre ela ou sobre as outras luas de Saturno até a chegada da era espacial. Para os astrônomos presos à Terra, Saturno era um contraponto sereno e misterioso à violência de Júpiter, pairando num reino frígido e distante.,A primeira nave espacial a visitar Saturno, a Pioneer 11, era uma sonda relativamente simples que sobrevoou Júpiter em 1974 e passou correndo por Saturno em 1979. Os instrumentos da Pioneer 11 detectaram um anel de Saturno (o anel F) até então desconhecido, mediram remotamente as propriedades da atmosfera do gigante gasoso e verificaram a intensidade e a geometria do campo magnético do planeta. As Voyagers 1 e 2, que passaram perto do sistema saturniano em 1980 e 1981, possuíam sistemas de imageamento e espectrômetros mais sensíveis. A Voyager 2 descobriu estruturas inéditas nos anéis de Saturno – trilhas radiais escuras que atravessam os anéis como os raios de uma roda – que aparentemente resultavam da levitação eletromagnética da poeira acima do plano do anel. Este fenômeno e outras medições indicaram que os anéis eram compostos por objetos cujas dimensões variavam desde pedras até partículas de poeira.

As Voyagers também obtiveram imagens parciais da superfície de vários satélites gelados de Saturno, que mostravam diferentes graus de derretimento e recapeamento. Mas foi Titã, sem dúvida nenhuma, que forneceu as descobertas mais interessantes. A Voyager 1 passou a uma distância de aproximadamente 4 mil km de Titã, a segunda maior lua do Sistema Solar (depois de Ganimede, de Júpiter). A névoa espessa e alaranjada de Titã impediu que as câmeras da nave pudessem observar quaisquer características da sua superfície, mas outros instrumentos mediram a temperatura e a pressão atmosféricas e determinaram que o nitrogênio é o gás mais abundante, seguido pelo metano.

A dinâmica da atmosfera de Titã é estranhamente semelhante à da Terra. O nitrogênio domina nas duas atmosferas, mas em Titã o metano desempenha o papel meteorológico da água no nosso planeta. Também está presente nas reações químicas orgânicas que começam na atmosfera superior de Titã, com o rompimento de suas moléculas pela radiação ultravioleta do Sol. Os pesquisadores acreditam que esse ciclo atmosférico possa incluir uma chuva de hidrocarbonetos líquidos, que poderia se acumular em lagos ou oceanos. A temperatura da superfície – cerca de 94 kelvins, ou -179oC – é muito baixa para a ocorrência de água líquida, mas as condições são ideais para a formação de lagoas de hidrocarbonetos líquidos. A vida como a conhecemos provavelmente não poderia evoluir em Titã, mas uma análise dos ciclos químicos orgânicos nessa lua poderia fornecer pistas sobre como a vida surgiu no início da história da Terra.

Os resultados da Voyager encorajaram os pesquisadores a desenvolver um orbitador que pudesse fazer uma investigação completa do sistema saturniano. No início dos anos 1980, no entanto, os recursos para a exploração planetária eram limitados, por isso, membros da Nasa e da ESA começaram a pensar em se unir. Em 1982 e 1983, grupos de cientistas europeus e americanos começaram os planos de uma exploração cooperativa futura do Sistema Solar, e a missão ao sistema saturniano era a primeira da lista.,Uma Viagem Incrível

EMBORA ESTIVESSE CLARO QUE UM COMPONENTE da missão seria um orbitador projetado para investigar a atmosfera, os anéis, as luas e a magnetosfera de Saturno, o debate se concentrou na escolha do local para o lançamento da sonda atmosférica: Saturno ou Titã, ou ambos. Os cientistas que projetaram o orbitador finalmente escolheram Titã por causa das descobertas intrigantes feitas pela Voyager na sua atmosfera. Por volta de 1985, a ESA apareceu com novos projetos de uma sonda capaz de navegar através do ambiente atmosférico denso mas de baixa gravidade de Titã. Os representantes da ESA batizaram a sonda com o nome de Huygens em homenagem a Christiaan Huygens, astrônomo holandês do século 17 que descobriu Titã. O orbitador, construído pelo Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da Nasa, recebeu o nome do astrônomo franco-italiano do mesmo século, Jean Dominique Cassini, que descobriu quatro das luas de Saturno e uma grande divisão entre seus anéis. O custo total para o desenvolvimento da missão – cerca de US$ 3 bilhões, dos quais os europeus contribuíram com cerca de 25% – é alto se comparado com o custo da maioria das missões planetárias, mas comparável ao de outros grandes projetos, como o telescópio espacial Hubble.

O Cassini e a Huygens formam juntos uma das maiores e mais pesadas naves espaciais já construídas, com 12 instrumentos científicos no orbitador e seis na sonda (ver box da página 78). Com a carga completa de combustível, a Cassini-Huygens pesava quase 6 toneladas e tinha 6,8 metros de altura. Como a Cassini tinha de viajar quase duas vezes a distância percorrida pela Galileo, a nave precisava de sistemas de comunicação e de antenas muito maiores e mais robustas (fornecidas pela Agência Espacial Italiana), mais combustível para as manobras e mais energia elétrica. Como a Galileo, a Cassini é propelida pelo decaimento natural de plutônio radioativo, que gera calor, por sua vez convertido em eletricidade.

Embora a Cassini-Huygens tenha sido lançada pelo mais poderoso foguete não-tripulado disponível – o Titã 4 da Força Aérea Americana, com um estágio superior Centauro – a nave espacial era pesada demais para ser enviada diretamente a Saturno. Seguindo a mesma diretriz de missões anteriores, a Cassini atingiu a velocidade necessária através de uma seqüência de impulsos gravitacionais. Entre 1998 e 2000, ela passou perto de Vênus (duas vezes), da Terra e de Júpiter. Durante a sua passagem por Júpiter em dezembro de 2000, a nave examinou as fronteiras mais externas da magnetosfera do planeta gigante enquanto a Galileo fazia observações de seu ponto de aproveitamento orbital mais próximo – a primeira vez em que foram feitas observações simultâneas. A Cassini produziu um notável conjunto de imagens, mostrando a atmosfera turbulenta do planeta com um detalhamento extraordinário.

A magnetosfera de Júpiter é assimétrica, com uma abundância inesperada de íons e de elétrons que escapam de um de seus lados.Essa longa viagem interplanetária trouxe outro benefício: tempo para a Nasa e a ESA modificarem a missão caso houvesse algum imprevisto. Em 2000, os controladores detectaram uma falha no projeto ao testar o sistema de comunicação, que permitiria que a nave recebesse os dados científicos da sonda Huygens na sua descida à superfície de Titã. (Os dados teriam de ser reenviados para a Terra.) O receptor de rádio da Cassini não conseguiu recuperar os dados durante um teste realizado para simular o desvio Doppler na freqüência do sinal, que deveria ocorrer durante a descida. Depois de estudar o problema durante meses, as agências espaciais apresentaram uma solução: alterar a trajetória planejada para diminuir a velocidade relativa entre o orbitador e a sonda, o que reduziria ao mínimo o desvio Doppler.,O primeiro encontro próximo da Cassini com o sistema saturniano ocorreu no dia 11 do mês passado, durante o seu sobrevôo de Febe, um satélite de Saturno que percorre uma órbita elíptica irregular a cerca de 13 milhões de km do planeta. A Cassini passou a 2 mil km dessa lua de 220 km de diâmetro. Esse satélite intriga os cientistas porque pode ser um remanescente da matéria primordial que formou os núcleos rochosos dos planetas externos há mais de 4,5 bilhões de anos. Três semanas mais tarde, no dia 1o deste mês, a Cassini vai se aproximar de Saturno vindo da parte de baixo do plano dos anéis e atravessar o extenso vão entre os anéis F e G. Para diminuir a velocidade o suficiente para que entre em órbita, a Cassini vai acionar seus motores durante 97 minutos na direção oposta à sua trajetória. Enquanto os motores estiverem acionados, o orbitador vai fazer a sua aproximação máxima de Saturno, chegando a 18 mil km do gigante-gasoso. Se tudo correr como previsto, essa manobra colocará a Cassini em uma órbita bem elíptica, que depois será ajustada por meio de acionamentos dos motores.

Descendo na Lua

DURANTE OS PRÓXIMOS SEIS MESES, a Cassini vai sobrevoar Titã duas vezes, para estudar a atmosfera e a superfície da lua gigante e preparar a missão da Huygens. Em 25 de dezembro, a Cassini vai liberar a sonda, que deverá pousar em Titã em 22 dias. Em 14 de janeiro de 2005, a Huygens, alimentada por baterias, vai entrar na atmosfera de Titã, que se estende até 1 mil km acima de sua superfície, cerca de dez vezes maior do que a atmosfera da Terra. Uma blindagem em forma de pires protegerá a nave das altas temperaturas durante a entrada na atmosfera. A cerca de 170 km da superfície, a sonda acionará um pára-quedas para tornar a descida mais lenta e estável. Enquanto a Huygens estiver flutuando na névoa alaranjada que envolve Titã, o cromatógrafo de gás e espectrômetro de massa (GCMS) da sonda analisarão a composição da atmosfera de Titã. Outro instrumento vai coletar e vaporizar partículas sólidas de modo que elas também possam ser identificadas pelo GCMS. Ao mesmo tempo, o imageador de descida e radiômetro espectral (DISR) fotografará as nuvens de metano para determinar suas formas e tamanhos.

Quando a sonda estiver a uma altitude de aproximadamente 50 km, o DISR começará a tirar fotos panorâmicas da paisagem abaixo. Nas últimas centenas de metros da descida, um holofote de luz branca iluminará a superfície – que normalmente tem a cor avermelhada do barro, porque a atmosfera absorve as freqüências azuis da radiação solar – permitindo que o DISR faça uma análise espectral da composição dos elementos da superfície. Ao longo da descida, os desvios na freqüência dos sinais de rádio da sonda serão monitorados para determinar a intensidade dos ventos de Titã, e o Instrumento de Estrutura Atmosférica da Huygens (Hasi) medirá a temperatura, a pressão e os campos elétricos que poderão indicar a presença de relâmpagos. A descida completa deverá durar de duas horas e meia a três horas.

Embora a meta principal da sonda Huygens seja a investigação da atmosfera de Titã e nenhuma medida tenha sido tomada para garantir a sua sobrevivência no pouso (o que teria muitos custos adicionais), os cientistas estão muito interessados na natureza da superfície. Estaria coberta de hidrocarbonetos líquidos? Haveria evidências de evolução da atividade geológica ou da química orgânica? Ou Titã é simplesmente um satélite gelado, crivado de crateras? Para ajudar nas respostas, a carga útil da sonda inclui um pacote científico para a superfície (SSP) que vai emitir ondas sonoras no estágio final da descida para avaliar a rugosidade da superfície. O Hasi fará medições semelhantes usando sinais de radar.,Na hora do impacto, que deverá acontecer à velocidade relativamente suave de poucos metros por segundo, os acelerômetros da sonda vão transmitir dados a uma taxa bastante alta através do SSP, para determinar se a superfície é sólida, coberta de neve ou líquida. Se a sonda sobreviver ao pouso, poderão ser transmitidos de 3 a 30 minutos adicionais de dados para o orbitador antes que ele desapareça no horizonte da lua. Se a Huygens pousar em um lago ou em um oceano de hidrocarbonetos, o SSP poderá medir a temperatura, a densidade e outras propriedades do líquido. Os sensores também poderão medir a velocidade de som através do líquido e talvez determinar sua profundidade. Enquanto isso, o DISR captará imagens, e o GCMS tentará analisar os hidrocarbonetos. A sonda Huygens foi projetada para flutuar em hidrocarbonetos líquidos, embora esses compostos químicos sejam significativamente menos densos que a água.

Um Passeio de Quatro Anos

DEPOIS DA DESCIDA DA HUYGENS, a Cassini vai continuar a estudar Titã durante a sua jornada de quatro anos pelo sistema saturniano. Durante esse período, a nave orbitará Saturno 76 vezes, e na maioria das voltas deverão ocorrer outros sobrevôos de Titã. A cada encontro, a órbita da Cassini vai ser reformulada para permitir que a nave obtenha fotos próximas dos outros satélites de Saturno e de seus anéis e examine diferentes partes de sua magnetosfera. Ao contrário da Galileo ou da Voyager, a Cassini não possui plataformas móveis para direcionar seus instrumentos. Para reduzir os custos de desenvolvimento, eles foram fixados ao corpo cilíndrico da nave. Assim, os cientistas da missão precisam planejar cuidadosamente suas observações, porque os instrumentos podem não estar todos voltados para o mesmo alvo simultaneamente.

As pesquisas a serem feitas no sistema saturniano são tão vastas que só foi possível apresentar um resumo do seu potencial. Meus interesses estão centrados em Titã. Além de descobrir se houve evolução dos compostos químicos orgânicos complexos na superfície da lua, os pesquisadores têm uma batelada de perguntas sobre esse mundo. Na Terra, a água se encarrega de dar novas formas à superfície do planeta e das trocas de energia e massa entre a superfície e a atmosfera; em Titã, o metano exerce esse papel. Mas, como ele está sendo continuamente consumido por reações fotoquímicas produzidas pela radiação ultravioleta do Sol, deve ser reposto de alguma forma a partir da superfície ou do interior de Titã, ou talvez pelo impacto de cometas. A abundância atual de metano em Titã, de acordo com as medidas feitas pela Voyager, parece estar num ponto crítico – apenas o suficiente para permitir a formação de nuvens e de chuva de metano. Mas a concentração não é suficientemente alta para garantir a presença de metano líquido puro na superfície; as gotas de “chuva” evaporariam antes de atingir o solo. Se houver mares, provavelmente devem ser constituídos de etano líquido, um produto das reações fotoquímicas que ocorrem na atmosfera de Titã, combinado com metano dissolvido.

Entender de onde vem o metano e para onde vão os produtos de sua fotoquímica são duas das questões básicas que a missão Cassini-Huygens pode responder. Será que o metano e o etano estão misturados em lagos ou mares de hidrocarbonetos na superfície de Titã? Dados recentes obtidos com o radiotelescópio de Arecibo (Porto Rico) parecem indicar que sim. Se a nave não encontrar evidências de lagos ou mares, então talvez Titã tenha deixado de formar metano e etano ao longo de sua história. Se esse for o caso, a composição e a quantidade atual da atmosfera da lua de Saturno – mantida pelo aquecimento do efeito estufa do metano – podem ser o resultado do impacto recente de um cometa ou de uma grande perturbação ocorrida no interior de Titã. Finalmente, queremos saber onde o metano e o nitrogênio de Titã se originaram e porque essa é a única lua do Sistema Solar que possui atmosfera densa.

As câmeras, os espectrômetros e o radar do orbitador, que poderão “ver” através da atmosfera espessa de Titã, estão encarregados de procurar mares de hidrocarbonetos. Outros instrumentos examinarão as interações da atmosfera de Titã com as partículas carregadas da magnetosfera de Saturno. Os sinais de rádio que atravessam a atmosfera da lua deverão mostrar a variação da temperatura com a latitude e com a altitude. A combinação desses resultados com as imagens do orbitador Cassini e da sonda Huygens deverá ajudar a determinar a quantidade da precipitação de metano. A sonda fornecerá leituras diretas de temperatura e pressão junto com as imagens das nuvens de metano e nitrogênio de Titã. Além disso, as medidas de dois parâmetros-chave da atmosfera – a abundância de metano contendo deutério e a razão entre nitrogênio e os gases nobres argônio e criptônio – poderiam indicar as possíveis fontes de metano e nitrogênio da lua.

Assim como acontece com qualquer missão para um mundo novo e estranho – e Titã, mais do que qualquer outro corpo do Sistema Solar, merece ser descrito como um mundo misterioso -, uma única exploração não é suficiente para responder a todas as perguntas. Titã pode se mostrar tão interessante que os cientistas poderiam propor missões subseqüentes para enviar balões, aeronaves e veículos de pouso para o interior de sua atmosfera densa. A longa jornada de descobertas iniciada pela missão Cassini-Huygens não deve acabar tão cedo.