Si usáramos el Sol como un telescopio de lente gravitacional, así sería un planeta en Proxima Centauri
Como Einstein predijo originalmente con su Teoría general de la relatividad , la gravedad altera la curvatura del espacio-tiempo. Como consecuencia, el paso de la luz cambia cuando se encuentra con un campo gravitacional, ¡que es como se confirmó la Relatividad General! Durante décadas, los astrónomos se han aprovechado de esto para realizar Lente gravitacional (GL) - donde una fuente distante es enfocada y amplificada por un objeto masivo en primer plano.
En un estudio reciente, dos físicos teóricos sostienen que el Sol podría usarse de la misma manera para crear un Lente gravitacional solar (SGL). Este poderoso telescopio, argumentan, proporcionaría suficiente amplificación de luz para permitir Imágenes directas estudios de exoplanetas cercanos. Esto podría permitir a los astrónomos determinar si planetas como Proxima b son potencialmente habitables mucho antes de que enviemos misiones para estudiarlos.
El estudio, que recientemente apareció en línea y está siendo considerado para su publicación en la revista.Revisión física D, fue realizado por el físico teórico Viktor Toth y Slava G. Turyshev, un físico del JPL de la NASA que también fue el Investigador Principal (PI) del estudio de Fase III del NIAC de 2020, titulado “ Espectroscopia y obtención de imágenes multipíxel directas de un exoplaneta con una misión de lente gravitacional solar .”
Anillos de Einstein capturados por el telescopio espacial Hubble durante su vida. Crédito: NASA / ESA / A.Bolton (CfA) / SLACS Team
Además de permitir todo tipo de investigación astrofísica profunda, las lentes gravitacionales también han dado como resultado algunas de las imágenes más espectaculares del Universo jamás tomadas. Estos incluyen lo que se conoce como ' Anillos de Einstein , ”Que es lo que a veces puede parecer la luz de un objeto distante una vez que encuentra un campo gravitacional entre él y el observador.
Dependiendo de la alineación entre el observador, la fuente y la lente, la luz de la fuente también puede aparecer como un arco, una cruz u otra forma. Si bien cualquier cuerpo masivo puede usarse como lente gravitacional, el Sol se encuentra en una posición ventajosa para la astronomía GL. Para empezar, es el cuerpo más masivo del Sistema Solar, lo que lo convierte en la lente más potente disponible.
En segundo lugar, la región focal de su lente comienza a una distancia de ~ 550 UA del Sol, que es una distancia realista para una futura misión. La región focal del siguiente objeto más grande (Júpiter) comienza a una distancia de más de 2.400 UA. En resumen, los astrónomos podrían diseñar una alineación adecuada con el Sol para crear un SGL y usarlo para observaciones astronómicas, ¡como ver bien los exoplanetas cercanos!
Direct Imaging es un método especialmente prometedor en lo que respecta a la caracterización de exoplanetas, en el que los estudios futuros de exoplanetas se centrarán como nunca antes (a diferencia de la detección de exoplanetas). Al examinar la luz reflejada directamente desde la atmósfera o la superficie de un planeta, los astrónomos pueden obtener espectros que indican de qué está compuesta la atmósfera de un planeta y tal vez incluso detectar signos de vegetación en la superficie.
Diagrama de un SGL en acción. Al utilizar el campo gravitacional del Sol como lente, las misiones futuras podrían capturar imágenes de alta resolución de exoplanetas y otros objetos celestes. Crédito: Toth, V.T. Y Turyshev, S.G.
Sin embargo, este método es complicado, ya que los telescopios actuales no tienen la resolución necesaria para obtener imágenes directas de planetas más pequeños que orbitan más cerca de sus estrellas (que es donde se encuentran los planetas rocosos). De ahí la razón por la que la gran mayoría de exoplanetas en imágenes directamente han sido gigantes gaseosos, típicamente con órbitas de largo período. Como Turyshev le dijo a Universe Today por correo electrónico:
“Para observar e visualizar directamente un exoplaneta, necesitamos acceso a telescopios muy grandes. Por lo tanto, si queremos ver nuestra propia Tierra en solo un píxel desde una distancia de 100 años luz, necesitamos un telescopio con ~ 90 kilómetros de diámetro.
“Los siguientes telescopios más grandes que se construirán en tierra (European Extremely Large Telescope) y que irán al espacio (James Webb Space Telescope) son 39 metros y 6,5 metros, [respectivamente]. Los conceptos que se están considerando como sustitutos de estas magníficas máquinas (LUVOIR y HabEx) son los de 16 y / o 24 metros.“
Con base en esta tendencia, argumenta Turyshev, nadie que esté vivo hoy verá de cerca cómo se ve un mundo extraterrestre en su vida (ni sus hijos y nietos). Con un SGL, las observaciones de exoplanetas cercanos (como Proxima b y c o los siete planetas rocosos que orbitan TRAPPIST-1 ) podría hacerse a mediados de este siglo.
Cómo se vería una Tierra simulada a la distancia de Proxima Centauri (4.24 ly) cuando la proyecte el SGL. Crédito: Toth, V.T. Y Turyshev, S.G.
Para determinar si es posible un SGL, Toth y Turyshev se basaron en estudios previos en los que desarrollaron una descripción teórica de ondas para un SGL. Al final, determinaron que era e incluso simularon qué imágenes de la Tierra con una resolución de 1024 x 1024 píxeles (que se muestran arriba) se verían convolucionadas y con ruido gaussiano agregado (izquierda) y después de que tuvo lugar la deconvolución (derecha).
Así es como se vería la Tierra si estuviera a la misma distancia que Proxima Centauri (4,24 años luz) y fuera captada por un telescopio colocado a 650 AU del Sol (y usándolo como lente). Si observa de cerca, puede ver la cobertura de nubes y el contraste entre las masas de tierra, en este caso, los Estados Unidos, Baja California, México. Toth y Turyshev estiman que el tiempo total de exposición necesario para esta cantidad de detalles sería de aproximadamente un año.
Por supuesto, el equipo también identificó varios desafíos que deberían superarse primero. La distancia a la región focal es el problema más importante, que se encuentra aproximadamente a 82,28 mil millones de km (51 mil millones de millas) de la Tierra. Eso es aproximadamente cuatro veces la distancia entre la Tierra y el Viajar 1 sonda, que tiene el récord de ser la misión más lejana que jamás haya viajado: 150 UA (22,44 mil millones de km; 13,94 mil millones de millas) a partir de 2020.
En segundo lugar, descubrieron que la lente sufriría aberraciones esféricas y astigmatismo que deberían corregirse. Por último, el intenso brillo del Sol dominaría naturalmente cualquier luz obtenida de objetos distantes. Dijo Toth:
“[L] as observaciones necesariamente toman mucho tiempo (el telescopio ve un“ píxel ”a la vez mientras atraviesa un plano de imagen de un kilómetro de ancho en la región focal, y para cada píxel, se deben recopilar datos suficientes para mitigar los efectos ruido, principalmente de la corona solar) durante el cual a) el movimiento del telescopio en relación con la imagen debe conocerse con precisión, yb) el exoplaneta objetivo en sí puede moverse, cambiar de apariencia (nubes, vegetación, etc.) y de iluminación. Algunos de estos problemas pueden tratarse como ruido, otros pueden eliminarse mediante una inteligente estrategia de reconstrucción de imágenes '.
Impresión artística del planeta Proxima b orbitando la estrella enana roja Proxima Centauri, la estrella más cercana al Sistema Solar. Crédito: ESO / M. Kornmesser
Afortunadamente, existen algunas posibles soluciones que recomiendan Toth y Turyshev. Por ejemplo, su estudio conceptual exige el uso de un telescopio con un espejo primario de 1 metro (3,3 pies), aunque también podría ser posible un telescopio de 2 a 2,5 m (6,5 a 8 pies). Esto podría lograrse, argumentan, enviando una pequeña flota de naves espaciales de imágenes que podrían combinar su resolución para corregir las aberraciones.
Para hacer frente a la interferencia del Sol, también será necesario desarrollar un coronógrafo construido apropiadamente. Afortunadamente, Toth y Turyshev estiman que, dada la distancia focal del Sol, un coronógrafo que también tenga alrededor de 1 m de diámetro será suficiente. Al igual que la tecnología para una constelación de pequeñas naves espaciales que se combinan para crear un telescopio espacial, esto tendrá que esperar desarrollos futuros.
¡Pero las recompensas, que incluirían imágenes resueltas de planetas potencialmente habitables, serían inconmensurables! Imagínese poder tomar fotografías de Proxima b que mostrarán el tamaño y la forma de sus continentes al lado de sus vastos océanos (suponiendo que lo haya hecho). ¿Y qué asombroso sería tomar imágenes de Próxima c, un gigante gaseoso que se cree que tiene un sistema de anillos como Saturno?
También están los tres planetas que orbitan dentro de la zona habitable de TRAPPIST-1, todos los cuales podrían tener vastos océanos en su superficie. También están los datos científicos extremadamente valiosos que podríamos obtener, que incluyen espectroscopía que podría revelar si las atmósferas de exoplanetas cercanos contienen las firmas químicas que asociamos con la vida (también conocidas como 'firmas biológicas').
Tener un telescopio SGL dedicado también sería una adición adecuada a los muchos telescopios de próxima generación que estarán operativos en los próximos años. Estos incluyen misiones como la James Webb (JWST) y Telescopio espacial romano Nancy Grace , que se basará en los logros deHubbleyKepleral encontrar miles de exoplanetas más en sistemas estelares cercanos.
De manera similar, los telescopios terrestres con óptica adaptativa y coronógrafos, como los de ESO Telescopio extremadamente grande (ELT) y el Telescopio gigante de Magallanes (GMT): permitirá estudios de imágenes directas de planetas rocosos más pequeños que orbitan más cerca de sus estrellas. Particularmente alrededor de estrellas de tipo M más tenues (enanas rojas), aquí es donde se espera que los candidatos a planetas habitables se encuentren más.
Al final, hay pocas dudas de que un SGL sería una inversión valiosa a medida que entramos en una nueva era de astronomía y astrobiología que va más allá del descubrimiento de exoplanetas para centrarse en la caracterización y la búsqueda de vida extraterrestre. Como resumió Turyshev:
“En los próximos 10 a 15 años descubriremos miles de nuevos exoplanetas mediante el uso de métodos indirectos (espectroscopia de tránsito, velocidad radial, astrometría, microlente, etc.). Una vez que tengamos un conjunto de objetivos interesantes, SGL nos ayudará a estudiarlos. Podríamos lanzar una misión hacia la región focal del SGL para un objetivo en particular y estudiar este objetivo o sistema de objetivo preseleccionado.
Asegúrese de ver este video que explica el concepto de una lente gravitacional solar y cómo podría revolucionar la astronomía tal como la conocemos (cortesía del ex astrónomo de la NASA Christian Ready y Astronomía de la plataforma de lanzamiento ):
Otras lecturas: arXiv