Planificación del Observatorio Mundial Habitable de la NASA en marcha A principios de agosto, científicos e ingenieros se reunieron en un pequeño auditorio en Caltech para discutir la construcción del primer telescopio espacial capaz de detectar vida en planetas similares a la Tierra. El concepto de misión propuesto, llamado Observatorio Mundial Habitable (HWO), sería un poderoso observatorio astrofísico siguiendo al Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA.
Esta técnica se utiliza para oscurecer la luz de las estrellas y revelar la presencia de planetas que orbitan alrededor de la estrella.
Tendrá la capacidad de estudiar estrellas, galaxias y una serie de otros objetos cósmicos, incluidos planetas fuera de nuestro sistema solar, conocidos como exoplanetas. Si bien descubrir vida en exoplanetas puede ser un objetivo lejano, el propósito del taller de Caltech fue evaluar el nivel de tecnología que BGI necesitaría para buscar vida en otros lugares.
"Necesitamos desarrollar tecnologías clave tanto como sea posible antes de diseñar una misión", dijo Dimitri Mawet, miembro del Grupo de Evaluación de Tecnología (TAG) de HWO, profesor de Astronomía David Morrisroe y científico investigador senior en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), administrado por Caltech para la NASA. Estamos en la etapa de madurez tecnológica. La idea es seguir avanzando en tecnologías que permitan que un Observatorio Mundial Habitable proporcione resultados científicos revolucionarios y al mismo tiempo minimice el riesgo de sobrecostos".
Una impresión artística del exoplaneta rocoso Kepler-186f, uno de los candidatos más prometedores para convertirse en un planeta potencialmente habitable, pero ¿qué tan similar o diferente sería a la Tierra para sustentar vida? Crédito de la imagen: NASA/Ames/SETI Institute/JPL-Caltech.
HWO se lanzará a finales de la década de 1930 o principios de la de 2040 como parte del Estudio Decenal de Astronomía y Astrofísica 2020 de la Academia Nacional de Ciencias (Astro2020). El tiempo de observación de la misión se dividirá entre astrofísica general e investigación de exoplanetas.
"La Encuesta del Décimo Aniversario recomienda esta misión como una prioridad máxima debido a las capacidades transformadoras que traerá a la astrofísica y al mismo tiempo comprenderá todo el sistema solar más allá del nuestro", dijo Fiona Harrison, Profesora de Física Harold A. Rosen de Caltech y Cátedra de Liderazgo Kent y Joyce Cresa en la División de Física, Matemáticas y Astronomía y una de las dos copresidentas del Informe del Décimo Aniversario de Astro2020.
Avances y desafíos tecnológicos
La capacidad de los telescopios espaciales para caracterizar las atmósferas de los exoplanetas y así buscar posibles signos de vida depende de una tecnología que bloquee el resplandor de las estrellas distantes. Hay dos formas principales de bloquear la luz de las estrellas: una es un pequeño deflector dentro del telescopio, llamado coronógrafo; el otro es un gran deflector en el exterior del telescopio, llamado parasol. En el espacio, el escudo estelar se expande hasta formar una estructura gigante con forma de girasol, como se muestra a continuación.
La animación muestra un prototipo de escudo estelar, una estructura gigante diseñada para bloquear el resplandor de una estrella para que los futuros telescopios espaciales puedan tomar fotografías de los planetas. Fuente: NASA
En ambos casos, la luz de la estrella se bloquea, permitiendo que se vea la tenue luz estelar reflejada por los planetas cercanos. El proceso es similar a bloquear el sol con la mano al fotografiar a un amigo sonriente. Al capturar la luz del planeta directamente, los investigadores pueden utilizar otros instrumentos llamados espectrómetros para examinar esas luces en busca de firmas químicas. Si hay vida en planetas que orbitan estrellas distantes, la inhalación y exhalación colectiva de esa vida podría ser detectable en forma de firmas biológicas.
"Estimamos que hay hasta miles de millones de planetas del tamaño de la Tierra sólo en la zona habitable de nuestra galaxia", dijo Nick Siegler, tecnólogo jefe del programa de exploración de exoplanetas de la NASA en el JPL. "La zona habitable es el área alrededor de una estrella donde las temperaturas son adecuadas para el agua líquida". Regiones de crecimiento. Queremos sondear las atmósferas de estos exoplanetas, buscando oxígeno, metano, vapor de agua y otras sustancias químicas que puedan indicar la presencia de vida. En lugar de buscar hombrecitos verdes, queremos ver firmas espectrales de estas sustancias químicas clave, que llamamos biofirmas".
Según Siegler, la NASA ha decidido centrarse en la ruta del coronógrafo del concepto HWO, que se basa en inversiones recientes en el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA, que utilizará coronógrafos avanzados para obtener imágenes de exoplanetas gigantes gaseosos. (El IPAC de Caltech alberga el Centro de Apoyo Científico Romano). Hoy en día, los coronógrafos se utilizan en varios otros telescopios, incluidos los observatorios en órbita JWST, Hubble y terrestres.
Sara Seager del MIT dio una charla en el Simposio de Caltech titulada "Supresión de la luz de las estrellas para un observatorio mundial habitable". Fuente: Caltech
Innovación y perspectivas de futuro
Mavitt desarrolló el coronógrafo, un instrumento utilizado en el W.M. Observatorio Keck en la cima de Mauna Kea en la Isla Grande de Hawaii. La última versión del coronógrafo, conocido como coronógrafo de vórtice, fue inventado por Mavitt y alojado en el Instrumento de caracterización e imágenes planetarias Keck (KPIC), que permite a los investigadores obtener imágenes y estudiar directamente la radiación térmica de exoplanetas gigantes gaseosos jóvenes y cálidos. Un coronógrafo anula la luz de la estrella, lo que le permite tomar fotografías de planetas que son un millón de veces más tenues que la estrella. Esto permite a los investigadores describir en detalle las atmósferas, órbitas y características de rotación de exoplanetas gigantes gaseosos jóvenes, lo que ayuda a responder preguntas sobre la formación y evolución de otros sistemas solares.
Pero obtener imágenes directas de un planeta Tierra Gemela, el planeta donde es más probable que prospere la vida tal como la conocemos, requeriría mejoras masivas en la tecnología existente. Los planetas como la Tierra que orbitan alrededor de estrellas similares al Sol en la zona habitable quedan fácilmente oscurecidos por el resplandor de la estrella. Por ejemplo, nuestro sol es 10 mil millones de veces más poderoso que la Tierra. Para lograr este nivel de supresión de la luz de las estrellas en un coronógrafo, los investigadores tuvieron que llevar su tecnología al extremo. "A medida que nos acercamos a los niveles requeridos de supresión de la luz estelar, el desafío aumenta exponencialmente", dijo Marvitt.
A través de la explicación del Dr. Nick Siegler, director técnico del programa de exploración de exoplanetas de la NASA, presentó en detalle el principio de funcionamiento del coronógrafo y cómo puede ayudar a obtener imágenes directas de exoplanetas. Fuente: NASA
Los asistentes al taller de Caltech discutieron la tecnología del coronógrafo, que implica controlar ondas de luz con lentes deformables ultraprecisas dentro del instrumento (ver video arriba). Aunque un coronógrafo bloquea la mayor parte de la luz de una estrella, la luz dispersa aún llega a la imagen final, apareciendo como puntos. Utilizando miles de varillas de empuje para empujar y tirar de la superficie reflectante del espejo deformable, los investigadores pudieron eliminar las manchas de luz estelar residual.
El próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman será el primero en utilizar este tipo de coronógrafo, que se denomina tipo "activo" porque sus espejos se deforman activamente. Después de más pruebas en el JPL, el coronógrafo romano eventualmente se integrará en el telescopio final del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA y se lanzará al espacio a más tardar en 2027. El coronógrafo romano permitirá a los astrónomos tomar imágenes de exoplanetas que son mil millones de veces más brillantes que sus estrellas. Esto incluye gigantes gaseosos maduros y jóvenes, así como discos de escombros que quedaron de la formación de planetas.
Vanessa Bailey, experta técnica en coronógrafo romano del JPL, dijo: "El coronógrafo romano es el siguiente paso de la NASA en la búsqueda de vida fuera del sistema solar. La brecha de rendimiento entre los telescopios actuales y los observatorios del mundo habitable es demasiado grande para salvarla de una sola vez. El propósito del coronógrafo romano es ser un trampolín en el medio. Demostrará varias tecnologías necesarias, incluidas máscaras de coronógrafo y espejos deformables, a un nivel de rendimiento que nunca se ha logrado fuera del laboratorio".
El objetivo de obtener imágenes directas del gemelo de la Tierra alrededor de una estrella similar al Sol significa llevar aún más lejos la tecnología detrás del coronógrafo de Roman. "Necesitamos poder deformar los espejos hasta el nivel del picómetro", explica Marvitt. "Necesitamos suprimir la luz de las estrellas unas 100 veces más que el coronógrafo romano. Este taller nos ayuda a descubrir dónde están nuestras brechas tecnológicas y dónde necesitamos más desarrollo durante la próxima década".
Otros temas discutidos en el taller incluyeron los mejores tipos de espejos primarios para usar con coronógrafos, recubrimientos de espejos, cómo lidiar con los daños a los espejos causados por micrometeoroides, tecnología de espejos deformables y detectores y herramientas avanzadas para modelado y diseño integrados. Los ingenieros también proporcionaron una actualización sobre el escudo estelar y su estado de preparación técnica.
Descubriendo el camino hacia los gemelos de la Tierra
Al mismo tiempo, a medida que la tecnología continúa avanzando, otros científicos también están dirigiendo su atención a las estrellas, buscando planetas similares a la Tierra de los que HWO pueda obtener imágenes. Hasta la fecha se han descubierto más de 5.500 exoplanetas, pero ninguno de ellos es verdaderamente planeta similar a la Tierra. Las herramientas de búsqueda de planetas, como la nueva Keck Planet Probe (KPF) en el Observatorio Keck dirigido por Caltech, ya son mejores para descubrir planetas al buscar la atracción que ejercen sobre las estrellas cuando las orbitan. Los planetas más pesados ejercen un mayor tirón, al igual que los planetas más cercanos a sus estrellas. KPF está diseñado para encontrar planetas del tamaño de la Tierra en las zonas habitables de pequeñas estrellas rojas, que están más cerca de sus estrellas. En los próximos años, KPF seguirá mejorando y podrá detectar gemelos terrestres.
Para cuando HWO se lance a finales de los años 1930 o principios de los 1940, los científicos esperan tener un catálogo de al menos 25 planetas similares a la Tierra para explorar.
A pesar del largo camino por recorrer, los científicos presentes en el simposio estaban ansiosos por discutir estos desafíos con colegas que viajaron a Pasadena desde todo el país. La directora del JPL, Laurie Leshin (M.A. '89, Ph.D. '95) pronunció un discurso inspirador al comienzo de la reunión. "Este es un desafío apasionante y difícil. Pero eso es exactamente lo que nos proponemos. No luchamos contra esto solos. Necesitamos trabajar juntos", afirmó.