JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Srutator), es el nombre de la cámara de la sonda espacial europea JUICE, que actualmente se encuentra de camino a Júpiter y sus lunas heladas. JUICE se lanzó el 14 de abril de 2023 desde el sitio de lanzamiento de Kourou en la Guayana Francesa y desde entonces ha viajado más de mil millones de kilómetros. Poco después del inicio, durante la llamada fase de puesta en marcha, se encendió la cámara JANUS y se tomaron algunas imágenes de prueba. Las primeras tomas tras el lanzamiento de una sonda espacial son siempre de especial importancia, ya que proporcionan información sobre la capacidad de supervivencia de la cámara en el lanzamiento y proporcionan imágenes nítidas.
Las cámaras montadas en sondas planetarias se pueden comparar con los telescopios de astrofotografía utilizados por los astrónomos aficionados. Tienen aperturas y distancias focales muy moderadas en comparación con telescopios espaciales como el Hubble, James Webb o Euclid. Las aperturas de las cámaras planetarias de alta resolución suelen comenzar en unos 50 milímetros y terminar en aproximadamente medio metro, mientras que sus distancias focales oscilan entre unos 200 milímetros y unos 2 metros. Esto se debe a que las sondas planetarias tienen una carga útil significativamente menor que los telescopios espaciales astronómicos, todos ellos relativamente cerca de la Tierra. Además, las sondas planetarias albergan una variedad de instrumentos que, dependiendo del objetivo de la misión, tienen tareas de medición muy específicas.
Por lo general, no son necesarias distancias focales grandes, ya que es posible acercarse relativamente al objeto planetario. También se refieren a campos de visión pequeños, lo que hace que, por ejemplo, el mapeo global de un planeta sea más difícil o incluso imposible, ya que, debido a la gran distancia de la Tierra, grandes cantidades de datos de imágenes solo pueden transmitirse de forma muy limitada.
Una herramienta robusta
A diferencia de la mayoría de los telescopios de aficionados, las cámaras planetarias son generalmente muy resistentes y fiables. Deben resistir fuertes golpes y amplios rangos de temperatura y están diseñados de tal manera que no sea necesario reenfocarlos mecánicamente, incluso después de muchos años.
El instrumento JANUS es un telescopio reflector Ritchey-Chrétien compacto con una apertura de aproximadamente 116 milímetros con un corrector de campo delante del plano focal y tiene una estructura catadióptrica, es decir, una combinación de espejos y lentes (ver “Cabezal de cámara JANUS”). El telescopio fue desarrollado y producido en Italia por Leonardo SpA de Florencia bajo la dirección de la Agencia Espacial Italiana (ASI). JANUS tiene una relación de apertura relativamente grande de aprox. F/4 y la distancia focal es 464 mm. El foco principal detrás del corrector de campo es la rueda de filtros fabricada en España con 13 canales de filtro (ver “La rueda de filtros de JANUS”) y la placa focal con un sensor de imagen CMOS de 2000 x 1500 píxeles con un tamaño de píxel de siete micrómetros. El sensor de imagen Teledyne e2v es muy resistente a la radiación, por lo que lo más probable es que sobreviva al período de la misión en el entorno de Júpiter, que se caracteriza por una intensidad muy alta de partículas cargadas de alta energía (consulte «Especificaciones del instrumento óptico JANUS»). .
© Leonardo SpA, DLR, IAA-CSIC (detalle)
Cabezal de cámara JANUS | La parte cilíndrica izquierda contiene la cubierta protectora y el tubo de apertura para reducir la luz parásita. En la zona octogonal situada detrás se encuentran la óptica con una apertura de 116 milímetros, la rueda de filtros, la placa focal con el sensor de imagen y parte de la electrónica de la cámara.
© Graphics SuW tomado de: Leonardo SpA (detalle)
Diseño óptico de la cámara JANUS | La radiación entrante desde la izquierda cae primero sobre el espejo primario de 116 milímetros de la derecha. Esto proyecta luz sobre el espejo secundario de la izquierda y, a su vez, la refleja a través de lentes correctoras para aplanar el campo de imagen en la rueda de filtros y, una vez que ha pasado, en el detector CMOS real. La trayectoria del haz se simplifica con fines ilustrativos.
© IAA-CSIC, SENER Aeroespacial (detalle)
La rueda de filtros JANUS | La cámara JANUS está equipada con una rueda de filtros que contiene 13 filtros diferentes con diferentes transmitancias en el rango de longitud de onda de 450 a 1000 nanómetros, desde la luz azul hasta el infrarrojo cercano. Dependiendo del rango espectral deseado, se gira el filtro apropiado en la trayectoria del haz de la cámara para grabar.
Originalmente, la óptica JANUS debía tener 3 espejos o TMA (Three Mirror Anastigmat). Este diseño no requería corrección adicional del campo de la lente, no tenía obstrucciones en la trayectoria del haz y tenía la ventaja de una muy buena supresión de luz parásita. Sin embargo, después de que se eligiera el fabricante de ópticas Leonardo, fue rechazado por razones de complejidad. Un sistema de tres espejos fuera de eje de alta intensidad impone, entre otras cosas, exigencias muy altas en cuanto al ajuste y la estabilidad de los elementos ópticos, por lo que no se utilizó.
El instrumento JANUS está dirigido por un equipo italiano dirigido por Pasquale Palumbo del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) de Roma y un equipo alemán dirigido por Thomas Roatsch del Centro Aeroespacial Alemán (DLR). El Instituto DLR de Investigación Planetaria en Berlín-Adlershof fue responsable de la placa focal, la electrónica de lectura del detector, la electrónica principal con software integrado y el control (manejo) de la cámara. Después del inicio, las tareas como la planificación de la grabación, el manejo de la cámara, el procesamiento de datos y la evaluación científica se dividieron entre los dos grupos de Italia y Alemania para lograr juntos los mejores resultados.
El cabezal de cámara JANUS incluye la óptica, la rueda de filtros y la placa focal. Sus dimensiones están dominadas por un largo deflector, cuyo objetivo es suprimir en gran medida la luz parásita y la luz solar no deseada. Además, en la entrada de la apertura hay una cubierta controlable que protege aún más el telescopio de la suciedad durante la fase de arranque y de la luz solar directa.
El telescopio fue construido con materiales con coeficientes de expansión térmica muy pequeños, por lo que funciona en un amplio rango de temperaturas con muy pocos cambios en la calidad de la imagen, es decir, en la nitidez. Además, algunas partes de la estructura se pueden regular térmicamente mediante calentadores integrados para mantener estables las propiedades optomecánicas del telescopio. Las primeras imágenes tomadas durante la puesta en servicio de los instrumentos después del lanzamiento mostraron una imagen óptica muy buena en todo el campo de visión (ver “Imágenes de prueba del cielo estrellado”).
© Equipo JANUS, ESA; con caballero de Harald Michaelis (detalle)
Tomas de prueba del cielo estrellado | Unos días después del lanzamiento de la sonda espacial JUICE, se tomaron imágenes del cielo estrellado con la cámara JANUS con fines de prueba. La cámara se centró en una zona de la constelación de Cygnus. La estrella brillante en la imagen de la izquierda es Eta Cygni; La imagen estuvo expuesta durante 0,183 segundos y muestra imágenes de estrellas muy nítidas. La imagen de la derecha estuvo expuesta durante 12,9 segundos y también se caracteriza por su alta nitidez. La estrella brillante en el centro de la imagen es PPM 037931 (HD 189276) con un brillo aparente de aproximadamente 5 mag.
© DLR (detalle)
Pasaje a la Luna | Durante el sobrevuelo de la Luna el 19 de agosto de 2024, la cámara JANUS capturará imágenes detalladas de la superficie lunar. Las regiones fotografiadas están ubicadas tanto en el frente (rectángulos verdes) como en el reverso (rectángulos negros).
Esto no es nada obvio si se consideran las pesadas cargas estructurales durante la fase de puesta en marcha. Además, todas las pruebas electroópticas en la Tierra sólo pueden realizarse en condiciones espaciales simuladas, donde pueden aparecer errores, como lo recordamos claramente del telescopio espacial Hubble. Sin embargo, reparar tales errores no es posible en un telescopio planetario que orbita alrededor de Júpiter.
Pruebas en la Luna y la Tierra
La siguiente y emocionante fase de la misión es el doble sobrevuelo de la Luna y la Tierra, que tendrá lugar del 19 al 20 de agosto de 2024. Ofrece una oportunidad única para probar y calibrar los instrumentos de la nave espacial en condiciones operativas. Las posibles observaciones y mediciones servirán de ejemplo para los sobrevuelos de las lunas de Júpiter cuando JUICE comience su fase de observación real en el sistema de Júpiter en 2031. Durante este sobrevuelo, la sonda se acercará a la Luna a una distancia mínima de 754 kilómetros, a una distancia relativa. velocidad de 4,2 kilómetros por segundo (ver «Pasaje a la Luna» y «El primer sobrevuelo de JUICE a la Tierra»).
© DLR (detalle)
Primer sobrevuelo de JUICE a la Tierra | El 20 de agosto de 2024, la cámara JANUS también tomará imágenes detalladas de la superficie de la Tierra (rectángulos verdes). La mayoría de las imágenes fueron tomadas en el Océano Índico y el Pacífico. La tierra está registrada sólo en las zonas de Tailandia, Camboya, Vietnam y Filipinas. Las imágenes son ideales para calibrar JANUS porque las propiedades espectrales de la superficie de la Tierra son muy conocidas.
© SuW (detalle)
La especificación del instrumento óptico JANUS | Las especificaciones del instrumento óptico JANUS.
También está previsto intentar detectar señales láser reflejadas desde la Luna mediante el altímetro láser GALA, desarrollado bajo la dirección del Instituto de Investigación Planetaria DLR bajo la dirección de Hauke Hußmann. Si la operación tiene éxito, se puede determinar la alineación de ambos instrumentos ópticos. Sin embargo, esto se complica aún más por el hecho de que la longitud de onda del láser GALA es de 1.064 nanómetros, lo que se encuentra en el límite de la sensibilidad espectral del generador de imágenes JANUS.
Después de los sobrevuelos de agosto de 2024, JUICE continuará su largo viaje hacia Júpiter. La sonda regresa a la Tierra dos veces más para acelerar aún más. La llegada a Júpiter se producirá finalmente a mediados de 2031 y comenzará el viaje de casi cinco años a través del sistema de Júpiter. Después de dos sobrevuelos de Europa, cuatro sobrevuelos de Ganímedes y más de 20 sobrevuelos de Calisto, la sonda entrará en órbita alrededor de Ganímedes a finales de 2034. Al final de la misión en 2035, la sonda orbitará y mapeará Ganímedes en tres altitudes diferentes ( 5000, 500 y 200 kilómetros).
