Una duda importante que teníamos era cómo se comportaría dim a bajas temperaturas, pues la superficie del cometa está por debajo de los -40 °C. Para los experimentos, a falta de un cuarto frío diseñamos una versión miniatura, similar a un pequeño refrigerador de poliestireno (conocido por su nombre comercial como unicel) con una ventana transparente de acrílico (a la que llamamos simplemente caja fría) y que enfriamos con nitrógeno líquido hasta los -50 °C. Podía introducirse el detector en ella y manipularse desde afuera a través de un par de guantes que incorporamos en las paredes. Esta caja fría nos permitió también resolver un problema que nos agobió por varias semanas: crear esferas de hielo de agua para nuestras pruebas. Al final, la solución fue depositar gotas de agua sobre una placa metálica conectada a la tubería por la que circulaba el nitrógeno líquido. Estas gotas se congelaban instantáneamente y mantenían su forma. Después de muchas pruebas y manos congeladas, comprobamos que la respuesta de dim era independiente de la temperatura y pudimos estudiar su comportamiento con los impactos de partículas de hielo compacto y de hielo algo poroso. Claro que sabíamos que las partículas del cometa no se parecerían mucho al hielo de agua compacto, pero las pruebas con distintos materiales, incluido el hielo, nos ayudaba a conocer mejor a dim.
Figura 2. Punto de detección de la partícula dedim con respecto al 67P.
dim en acción
Cuando Philae se desacopló de Roseta en noviembre de 2014 para descender en el cometa, dim se encendió para comenzar las detecciones. Fue emocionante para todos ver llegar sus primeros datos. Eran tantos que parecía que dim cruzaba una densa nube de polvo, pero había algo extraño: los datos registrados seguían patrones muy regulares distintos a los producidos por impactos reales que no siguen un patrón específico. Lo cierto era que algo distinto a impactos de partículas de polvo estaba activando al instrumento. Estábamos perplejos, pero entre el mar de falsos positivos –cuyo origen nunca se aclaró del todo– había una señal aparentemente real que sugería una partícula detectada a 2.4 km de la superficie del cometa. Esta señal correspondía a un voltaje pequeño de unos 2.45 mV y un tiempo de contacto muy largo, de 61 microsegundos, una combinación de valores distinta a lo que habíamos observado en nuestros experimentos.
En cualquier caso, para validar la detección era necesario reproducir esos valores en el laboratorio de alguna forma. Paradójicamente, un material de prueba que Harald había tenido desde hacía tiempo en su oficina y que no habíamos tomado en cuenta para las pruebas, era aerogel. El mismo material que se había usado para las trampas de polvo en la nave Stardust. Se trataba de un pequeño bloque de unos 6 x 3 x 3 cm3 donado por un investigador de dlr. Me di a la tarea de cortar algunos pedazos del pequeño bloque de aerogel y darles una forma lo más esférica posible con el fin de hacer algunas partículas de prueba. Luego fui dejando caer la partículas desde varias alturas sobre uno de los gemelos de dim y, ¡sorpresa!: los impactos producían señales con amplitudes pequeñas y tiempos de contacto largos, parecidos a los de la señal que dim registró cerca del cometa.
Figura 3. Aerogel.
Experimentos más detallados nos confirmaron que una partícula de aerogel de unos 2 cm de diámetro y con una velocidad de impacto de 4 m/s producía una señal casi idéntica. La partícula detectada tendría propiedades similares a nuestras partículas de aerogel: una densidad de la cuarta parte de la densidad del agua o 0.25 g/cm3 y una porosidad de casi 90%, es decir, sólo 10% del volumen total estaba ocupado por material y el resto eran huecos o poros. Estas características coincidían con las detecciones de otros instrumentos de Roseta, lo que confirmaba que nuestra única detección era real. Adicionalmente, con ayuda de la orientación de los paneles solares que recubrían la superficie exterior de Philae, pudimos determinar su orientación exacta durante la detección y con ello la dirección precisa de la partícula. Concluimos que, muy probablemente, la partícula orbitaba alrededor del cometa cuando impactó con dim. Finalmente, aunque fuera sólo una partícula, la detección era la más cercana a un cometa realizada hasta ese momento.
Figura 4. Señal de impacto de una partícula de polvo.
Lamentablemente, cuando Philae hizo contacto con el cometa no pudo asirse a su superficie por una falla en sus arpones y terminó dando tumbos hasta perderse en la accidentada geografía del cometa. En ese momento sólo se sabía que había quedado atrapado y sin acceso a suficiente luz solar para recargar sus baterías. Sus cámaras sí pudieron tomar algunas fotografías del descenso y de la superficie del cometa, y con la poca energía que le quedó pudo hacer algunas mediciones del terreno y de sus gases en el lugar del acometizaje. Aunque dim seguía activo, ya no registró más partículas debido a que Philae estaba dentro de algo parecido a una grieta que lo aislaba de las partículas de polvo que se movían cerca de la superficie.
Polvo cometario
Ocho años antes del acometizaje de Philae, el análisis de las partículas recolectadas por la nave Stardust hecho en el Centro Espacial Johnson, en Houston, reveló una abundancia de granos compuestos de silicatos primordiales con tamaños mayores a los que se esperaba, además de minerales compactos. Los altos puntos de fusión de estas partículas indicaban que se habían formado en las cercanías de un sol joven cuando el sistema solar todavía era una nube de polvo y gas, lo que apoyaba la idea de que los cometas eran cuerpos muy primitivos. En su composición estaban elementos como el magnesio, el aluminio, el silicio, el azufre, el calcio y el hierro.
Figura 5. Partículas capturadas por el instrumento cosima cerca del 67P.
En general, los instrumentos de la misión Roseta tuvieron acceso a una variedad sin precedente de partículas de polvo en sus casi dos años de operación. Los del orbitador pudieron analizar las partículas que se movían por encima de los 20 km con respecto a la superficie del cometa, y dim, el único detector de polvo del aterrizador Philae, tuvo acceso a una muestra del polvo más cercano al núcleo. En resumen, se midieron partículas con tamaños desde unos 10 nanómetros –o una millonésima de milímetro– hasta cerca de pocos milímetros. Algunas eran compactas y casi sin alteración evidente por la radiación, con formas bien definidas y relativamente brillantes y con cierto contenido de minerales. También se pudieron fotografiar pequeños cúmulos con estructuras algo más frágiles unidos a una matriz de carbono, y otras partículas aún más endebles que parecían haberse desmoronado al impactar los detectores. En general, giada detectó dos tipos de partículas: las primeras eran de materiales primordiales de algunos milímetros, con estructuras que seguían patrones fractales (o que se repetían en diferentes escalas) y tan porosas que sus densidades eran comparables a la del aire en la Tierra; el otro tipo tenían una estructura más compacta y densidades de una a cinco veces la del agua. Estas últimas correspondían a partículas que se movían a varios metros por segundo cerca del cometa.
Si basáramos las propiedades y composición de un cometa típico en la composición del polvo medido por Roseta cerca del 67P, diríamos que su masa se compone de una parte de hielos por casi nueve partes de otros materiales un poco más compactos. Asimismo, alrededor de 28% del volumen total del cometa son materiales condríticos (olivinos y piroxenos), cerca de 52% son hidrocarburos, y al menos 5% son sulfuros de hierro.
En el caso de dim, el gran número de pruebas y las detecciones de los demás instrumentos le dieron sentido a su única detección. Y a pesar de las bromas de los integrantes de los demás equipos de Roseta, en retrospectiva, todo el trabajo alrededor del instrumento dim fue también útil para los demás detectores de polvo de la misión e, interesantemente, ha sido una referencia para otras futuras misiones espaciales que portan instrumentos piezoeléctricos. Un ejemplo es BepiColombo, una misión conjunta de las agencias esa y jaxa que estudiará al planeta Mercurio en los próximos años.