Tal día como hoy 7 de abril del 2001 la Nasa lanza al espacio hacia Marte la nave espacial Mars Odyssey, que entró en la órbita de Marte en octubre de 2001, seis meses después de su lanzamiento.
En el planeta marciano recogió información acerca de la composición química de su superficie, la distribución del hielo y las propiedades físicas de los materiales cercanos.
Las mediciones de neutrones sugirieron que las regiones polares por encima de los 60° de latitud contenían enormes depósitos subterráneos de hielo de agua. La Mars Odyssey también descubrió cuevas en un volcán utilizando sus cámaras de infrarrojos. Mostró que las temperaturas de las entradas de las cuevas, que aparecían como rasgos circulares oscuros, no cambiaban tanto como la superficie circundante.
Entre finales de 2003 y principios de 2004 fueron varias las naves espaciales que convergieron en el planeta rojo, con resultados variables. La Nozomi, lanzada por Japón en 1998, fue la primera en llegar a las cercanías del planeta pero no pudo entrar en su órbita. La Mars Express de la Agencia Espacial Europea entró en la órbita de Marte el 25 de diciembre. Sin embargo, su módulo de aterrizaje, el Beagle 2, de fabricación británica, que debía examinar las rocas y el suelo en busca de signos de vida pasada o presente, no pudo establecer contacto por radio después de haber aterrizado en la superficie marciana el mismo día.
A las pocas semanas de su llegada, el orbitador de la Mars Express detectó vastos campos de hielo de agua así como hielo de dióxido de carbono en el polo sur y confirmó que el casquete remanente del verano austral, como el del norte, contenía agua permanentemente congelada.
También localizó grandes depósitos ricos en azufre, principalmente en el Valles Marineris, y minerales de arcilla en los terrenos llenos de cráteres.También se lanzó a mediados de 2003 la misión estadounidense del Mars Exploration Rover, que incluía dos vehículos de aterrizaje robóticos gemelos: Spirit y Opportunity. Spirit aterrizó en el cráter Gusev, el 3 de enero de 2004.
Tres semanas después, el 24 de enero, Opportunity aterrizó en Meridiani Planum , en el lado opuesto del planeta. Los vehículos de seis ruedas, cada uno equipado con cámaras y un conjunto de instrumentos que incluían un lector de imágenes microscópicas y una herramienta para moler rocas, analizaron las rocas, el suelo y el polvo alrededor de sus lugares de aterrizaje, que habían sido elegidos porque parecían haber sido afectados por el agua en el pasado. Ambos exploradores encontraron evidencia de esto.
Tal vez el más dramático fue el descubrimiento por parte de Opportunity de rocas que parecían haber sido depositadas en la costa de un antiguo cuerpo de agua salada. Cada vehículo fue diseñado para una misión nominal de 90 días pero funcionaron durante más tiempo. Spirit y Opportunity dejaron de transmitir a la Tierra en marzo de 2010 y junio de 2018, respectivamente. Opportunity había cubierto 45 km. durante 14 años, que eran los registros de la distancia recorrida y el tiempo de misión pasado en otro planeta.
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