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Mi satélite cabría en una maleta pequeña.
Pero podría ayudarnos a encontrar otros mundos. 18 de diciembre de 2020
Sara Seager con un telescopio en su jardín, esperando la oscuridad del cielo nocturno. webb chappel
Sara Seager ha pensado largo y tendido sobre las matemáticas: las probabilidades de que la Tierra albergue la única vida en el universo son casi imposibles. El mayor descubrimiento que podrían hacer los astrónomos es que no estamos solos, escribe la astrofísica del MIT en sus nuevas memorias. Las luces más pequeñas del universo . La humanidad ha buscado en los cielos un reflejo de nosotros mismos durante siglos; ver a alguien o algo más, habitando otra Tierra — ese es el sueño
Pionera en la búsqueda de exoplanetas, o planetas que orbitan alrededor de otras estrellas, ideó la práctica ahora estándar de estudiar las atmósferas de los planetas analizando la luz que se filtra a través de ellas. Seager, quien ganó una beca de genio de la Fundación MacArthur, es profesor de ciencia planetaria de la promoción de 1941 y también tiene nombramientos en los departamentos de física y aeronáutica y astronáutica. También fue subdirectora científica de la misión TESS (satélite de estudio de exoplanetas en tránsito) de la NASA, dirigida por el MIT, de 2016 a 2020, y líder de Starshade Rendezvous, un estudio de viabilidad para una misión espacial para encontrar y caracterizar cuerpos similares a la Tierra. exoplanetas. En sus memorias, comparte su historia personal de enviudar a los 40 años, repentinamente madre soltera de dos hijos pequeños, mientras explica la ciencia de su búsqueda de otros mundos.
Este extracto, extraído de diferentes secciones de su libro, narra su trabajo para desarrollar ASTERIA. Un satélite del tamaño de una maleta pequeña, ASTERIA fue diseñado para demostrar la tecnología necesaria para que un pequeño telescopio busque exoplanetas al detectar la minúscula caída en la luz de una estrella cuando un planeta en órbita pasa frente a ella. Seager inició y desarrolló ASTERIA en el MIT, y luego se desempeñó como investigador principal mientras el Jet Propulsion Laboratory lo construía y operaba desde noviembre de 2017 hasta diciembre de 2019.
Buscando sombras para encontrar otros mundos
En esencia, la astrofísica es el estudio de la luz. Sabemos que hay otras estrellas además del sol porque podemos verlas brillar. Pero la luz no solo ilumina. La luz contamina. Persianas ligeras. Las lucecitas, los exoplanetas, siempre han sido borradas por las luces más grandes de sus estrellas, de la misma manera que nuestro sol borra esas estrellas. Para encontrar otra Tierra, tendríamos que encontrar las luces más pequeñas del universo.
Si, al menos por el momento, los astrónomos no pudieran luchar contra el brillo de las estrellas, tal vez podríamos usar su poder a nuestro favor. Los cuerpos en tránsito a veces se alinean. Si tuviéramos suerte, un planeta podría pasar entre nosotros y su estrella, creando algo así como un eclipse en miniatura. La luna se ve gigante cuando tapa el sol. La Técnica de Tránsito, como se la llamaría, aplicó el mismo principio a los exoplanetas. Los encontraríamos no por la luz que emitieran, sino por la luz que estropearan. Nada se destaca como un punto negro.
En el otoño de 1999, mientras yo era becario postdoctoral en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, se anunció el primer tránsito de un planeta conocido, HD 209458b, un Júpiter caliente. Fue una noticia absolutamente fantástica, en parte porque el descubrimiento borró la última pizca de duda de que existen exoplanetas.
Estudiando la luz de las estrellas en busca de signos de vida.
Había estado dándole vueltas a una idea, genuinamente original, y el uso exitoso de la Técnica del Tránsito le dio una mayor urgencia. Gran parte de la ciencia, especialmente la ciencia pionera, se basa en la intuición. No tenía ninguna evidencia de que mi idea funcionaría. Pero lo estaba sin duda. Me di cuenta de que la técnica podría ayudar a revelar algo más que la silueta negra de un planeta. Inmediatamente después de ese pequeño eclipse parcial, la misma luz estelar que estaba siendo bloqueada por un exoplaneta atravesaría su atmósfera. La luz de las estrellas nos alcanzaría, pero no de la forma en que nos llega la luz de las estrellas normal. Sería filtrado, como el agua que corre a través de una pantalla, o el haz de una linterna luchando a través de la niebla. Si miras un arco iris desde la distancia, sus muchos colores forman una unión perfecta. Pero si miras un arco iris más de cerca, usando un instrumento llamado espectrógrafo, puedes ver espacios en la luz, rupturas minúsculas en cada longitud de onda como dientes faltantes. Los gases en la atmósfera solar y la envoltura delgada de la Tierra interrumpen la transmisión de la luz solar, de la misma manera que las líneas eléctricas causan estática en una señal de radio. Ciertos gases interfieren de maneras reveladoras. Un gas puede morder el índigo, mientras que otro gas puede tener apetito por el amarillo o el azul. ¿Por qué no podríamos usar un espectrógrafo para observar la luz de las estrellas que atraviesa la atmósfera de un exoplaneta en tránsito? De esa manera podríamos determinar qué tipo de gases rodean ese exoplaneta. Ya sabíamos que es probable que existan grandes cantidades de ciertos gases solo en presencia de vida. Los llamamos gases de firma biológica. El oxígeno es uno; el metano es otro. Podríamos comenzar con los Júpiter calientes, los planetas que ya conocemos, y sus atmósferas más fáciles de detectar. Como el spray de una mofeta, sus rastros de sodio y potasio se destacarían en medio de la compañía de átomos menos potentes. Guardé mi idea para mí mismo, porque sabía que era genial, fui el primero en ver el potencial de la Técnica de Tránsito para estudiar atmósferas, y también sabía que las grandes ideas se las roban. Dimitar Sasselov, mi anterior supervisor de doctorado, fue la única persona a la que le hablé de mi teoría y se ofreció a ayudarme a acercarla a la práctica. Cuando resolvimos los detalles, publiqué un artículo en el que exaltaba lo que Dimitar y yo llamábamos espectros de transmisión de tránsito: leer los huecos en los arcoíris.
Mi artículo recibió una atención considerable. La NASA estaba aceptando propuestas para utilizar el Telescopio Espacial Hubble; A los pocos meses de la publicación, un equipo citó mi trabajo y obtuvo los derechos para estudiar la luz que atravesaba la atmósfera de un Júpiter caliente en tránsito. Estaba furioso por no ser incluido en ese equipo, que eligió a un científico mayor que yo.
En dos años, su trabajo reveló la primera atmósfera de exoplaneta. No rodeaba a otra Tierra, pero mi premisa había funcionado. Habíamos visto nuestro primer cielo alienígena.
Espiando estrellas con diminutos satélites
Uno de los grandes obstáculos en la búsqueda de exoplanetas es el tiempo que lleva encontrarlos. Las estrellas similares al Sol más cercanas y brillantes están dispersas por todo el cielo, lo que significa que ningún telescopio puede captar más de unas pocas a la vez. Pero es prohibitivamente costoso, además de absurdo, usar algo como Hubble o Spitzer para observar un solo sistema estelar esperando ver las sombras de los planetas que no estamos seguros de que existan. Mapear correctamente un sistema estelar puede llevar años.
Había estado tratando de hacer un plan a largo plazo para encontrar otra Tierra cuando me enteré de lo que la comunidad había llamado cubesats: pequeños satélites diseñados con una forma estándar, lo que supuestamente los hacía más baratos y fáciles de construir y enviar al espacio. ¿Qué pasa si hago una constelación de cubesats, cada uno asignado para mirar solo una estrella? Soñé con telescopios espaciales del tamaño de una hogaza de pan, no uno, sino un ejército, desplegándose en órbita como muchos exploradores avanzados. Cada uno podría instalarse y monitorear su estrella similar al sol asignada durante el tiempo que lo necesitara; cada uno podría dedicarse a aprender todo lo posible acerca de una sola luz. Hubble, Spitzer, Kepler, cada uno vio enormemente. Quizá ahora necesitáramos decenas o cientos de miradas más estrechas, utilizando la Técnica del Tránsito como principal método de descubrimiento. Los Cubesats no verían lo que podrían ver los telescopios espaciales más grandes, pero nunca tendrían que parpadear.
Este panorama del cielo del norte capturado por TESS (satélite de estudio de exoplanetas en tránsito) incluye una vista de canto de la Vía Láctea. Sara Seager se desempeñó como subdirectora científica de TESS dirigida por el MIT, una misión Exploradora de la NASA, de 2016 a 2020.
NASA/MIT/TESS Y ETHAN KRUSE (USRA)
Hablé con David Miller, un colega y profesor de ingeniería que estaba a cargo de lo que se convertiría en una de mis clases favoritas: una clase de diseño y construcción para estudiantes universitarios de cuarto año. Fue revolucionario cuando comenzó, porque estaba muy basado en proyectos; después de algunas conferencias introductorias, los estudiantes se sumergieron en los desafíos de hacer un satélite real. Le pregunté a David si podía usar su clase para incubar mi idea de cubesat.
Se mostró entusiasmado desde el principio. Tal vez lo mejor del MIT es que no importa cuán loca sea tu idea, nadie dice que no funcionará hasta que se demuestre que es inviable. Y meter un telescopio espacial dentro de algo tan pequeño como un cubesat fue una idea bastante loca. El principal desafío sería hacer algo pequeño que aún fuera lo suficientemente estable como para recopilar datos claros, una tarea difícil porque los satélites más pequeños, como cualquier cosa más pequeña, son empujados en el espacio con más facilidad que los objetos más grandes. Para tomar medidas precisas del brillo de una estrella, necesitaríamos poder mantener su centro de brillo fijo en la misma fracción diminuta de un píxel, mucho más fino que el ancho de un cabello humano. Tendríamos que hacer algo que fuera cien veces mejor que cualquier cosa que existiera actualmente en la clase masiva de cubesat. Imagine fabricar un motor de automóvil que funcione cien veces mejor que el mejor motor de automóvil actual.
Hagámoslo, dijo David.
Estadísticas y hardware espacial
Los Cubesats son mucho más baratos que los satélites normales porque son más pequeños y más fáciles de lanzar; ocupan mucho menos espacio en la bodega de un cohete, y cuesta $10,000 enviar una libra de cualquier cosa al espacio. Desafortunadamente, su fabricación barata los hace propensos a fallar. Muchos de ellos nunca funcionan. Usamos el mismo término inútil para ellos que los médicos usan para los pacientes que nunca tuvieron la oportunidad de salvar: DOA.
Entonces, uno de nuestros primeros obstáculos fue un problema de estadísticas. (Cada problema es un problema de estadísticas). Para hacer la nube de cubesats que se llamaría ASTERIA, tuvimos que averiguar cuántos satélites necesitaríamos para tener una posibilidad razonable de encontrar otro planeta del tamaño de la Tierra. Vale la pena monitorear miles de estrellas brillantes similares al sol, pero no podríamos construir y administrar miles de satélites. También sabíamos que, dada la naturaleza efímera de los tránsitos, las probabilidades de que un planeta del tamaño de la Tierra transite por una estrella similar al Sol eran solo de 1 en 200. Sin duda, algunos de nuestros satélites también fallarían o se perderían. Si enviáramos solo unos pocos, tendríamos que ser muy estratégicos o muy afortunados para encontrar lo que buscábamos. Había una cantidad óptima de satélites que, combinados con una lista inteligente de estrellas objetivo, mantendrían nuestro presupuesto razonable pero aún así nos darían una buena posibilidad de éxito.
Tuve la suerte de tener un gran grupo de estudiantes de posgrado y posdoctorados en los que me apoyé cuando mi esposo, Mike, se enfermó. Puse uno a trabajar en la óptica de ASTERIA, otro en apuntar con precisión, un tercero en comunicaciones. Con su ayuda, avancé hacia un prototipo para mis diminutos satélites, inventé y probé hardware y software para apuntar con precisión, y perfeccioné el diseño del telescopio a bordo y su deflector protector. Trabajé duro para despejar el resto del camino para que ASTERIA se hiciera realidad. Después de sentar las bases en la clase de diseño y construcción, mis alumnos y yo nos unimos a nuestros esfuerzos en el Laboratorio Draper en Cambridge, donde los investigadores trabajan en cosas como sistemas de guía de misiles y navegación submarina. También hacen mucho trabajo en hardware espacial. Tuvimos reuniones todas las semanas, tratando de resolver los problemas de los telescopios pequeños. Podríamos construir componentes lo suficientemente pequeños, y podríamos desplegar el satélite y decirle qué hacer, pero aún así no sabíamos cómo mantenerlo tan estable como necesitábamos. Mientras tratábamos de resolver ese problema, usé mi investigación en curso sobre gases biofirmantes para determinar qué tipos de exoplanetas merecían nuestro enfoque. Pensé que podríamos explorar un centenar de sistemas estelares más o menos durante mi vida; tenían que ser los correctos.
Una prueba en el desierto
Cayó la noche, dura como el desierto y más negra que el negro, mientras nos apiñamos en un gran parche de concreto en un antiguo sitio de misiles en el medio de Nuevo México para probar un nuevo componente para ASTERIA. Estaba cada vez más seguro de su valor. No fue Hubble, Spitzer o Kepler, y es posible que nunca sea algo tan magnífico. Pero no todas las pinturas deberían o podrían ser Noche estrellada . Hay espacio en el universo para trabajos más pequeños, un tipo diferente de arte. Kepler podría encontrar miles de mundos nuevos, pero no revelaría lo suficiente de ninguno de ellos para que sepamos si era el hogar de alguien. Estaba recorriendo campos de estrellas que estaban demasiado lejos para que los astrónomos hicieran algo más que suposiciones sobre lugares como Kepler-22b.
Pero si pudiera hacer que ASTERIA funcione y luego encontrar una manera de enviar una flota de satélites, combinaría los mejores resultados del telescopio espacial Kepler de la NASA, capaz de encontrar planetas más pequeños alrededor de estrellas similares al Sol, y el naciente TESS, con su búsqueda y sensibilidad más próximas a las estrellas enanas rojas.
Los ingenieros prueban ASTERIA antes de su lanzamiento en 2017.
NASA/JPL-CALTECHMi equipo construyó un prototipo para una posible cámara, una que era prometedoramente estable y podía operar a una temperatura más cálida que los detectores utilizados en la mayoría de los satélites. (La mayoría tiene que enfriarse, lo que grava la máquina). Simplemente no estaba seguro de que vería lo que necesitábamos que viera. Tenía una estudiante de posgrado particularmente brillante y entusiasta en ese momento, llamada Mary Knapp; ella había sido estudiante en la primera clase de diseño y construcción que enseñé. Ella nos animó a probar la cámara afuera, usándola para mirar estrellas reales. Mary propuso los desiertos de Nuevo México como nuestro campo de pruebas. Ese abril, habría luna nueva, arrojando el ya despejado cielo del desierto de un tono negro uniforme. Esa luna nueva también coincidió con las vacaciones escolares de mis hijos, Max y Alex, lo que significaba que podía llevarlos conmigo. Por mucho que quisiera ver las estrellas, también quería verlas.
Le había preguntado a un club local de astrónomos aficionados cuál sería el mejor lugar para probar nuestra cámara. Esa noche nos invitaron a su fiesta de observación de estrellas, una celebración de la luna nueva. Llegamos al anochecer al antiguo sitio de misiles. Miré las estrellas y sentí que mi asombro infantil regresaba. Creo que los chicos también lo sintieron.
Montamos la cámara. Tendríamos que esperar hasta que estuviéramos de regreso en el MIT para analizar nuestros datos, pero nuestro nuevo tipo de detector, uno que aún no se usa para astronomía, pareció funcionar. Sabíamos al menos que nuestro experimento no fue un fracaso total.
Un lanzamiento muy esperado
En agosto de 2017, después de años de trabajo, esperanza y esfuerzo, SpaceX se preparó para lanzar un cohete Falcon 9 al espacio. El cohete no tenía tripulación, pero ASTERIA estaba a bordo.
Había sido un viaje difícil. La cámara se había abierto camino desde mi imaginación hasta nuestra clase de diseño y construcción, a través de dibujos y prototipos y un antiguo sitio de misiles en Nuevo México. Luego nos quedamos sin dinero en el MIT, y Draper Laboratory prefería la tecnología para otras cosas. El Laboratorio de Propulsión a Chorro, que siempre había estado interesado en las posibilidades de los cubesats y ASTERIA en particular, retomó donde lo dejaron MIT y Draper. Tres graduados del MIT jugarían papeles principales en el proyecto; se tomaron su trabajo en serio, habiendo visto de primera mano cuánto importaba. Su pasión y experiencia aseguraron que ASTERIA se convirtiera en todo lo que podía ser, que se construyera correctamente y se colocara con amor, por fin, en la bodega de un cohete, gimiendo en la plataforma de lanzamiento en un hermoso día de finales de verano. El cohete cortaría el cielo y se encontraría con la Estación Espacial Internacional. Los astronautas allí liberarían nuestro pequeño satélite más tarde en el otoño. De un susurro en mis sueños al espacio: no podía creer que nos acercáramos al final de un cálculo tan largo.
Había planeado ir al lanzamiento de ASTERIA, pero se retrasó lo suficiente como para que los planes de viaje y cuidado de los niños fracasaran. El día del lanzamiento, tomé el tren a Cambridge, caminé hasta el Green Building y tomé el ascensor hasta mi piso. Pasé por delante de los carteles de viajes a mundos lejanos hasta llegar a mi oficina, cerré la puerta y encendí la transmisión de video en línea. El lanzamiento fue un gran problema; en todo el mundo, los ojos estaban fijos en ese cohete, que todavía esperaba en la plataforma.
De vez en cuando levantaba la vista de las imágenes despejadas de Florida en mi pantalla y miraba por las ventanas, a mi vista cristalina del centro de Boston. Había cielos despejados dondequiera que miraba. Pasé tal vez 30 minutos en silencio, escribiendo correos electrónicos de agradecimiento a otros miembros del equipo de ASTERIA. En el último segundo decidí no enviarlos. Sé que la superstición no es científica. Entiendo que no le importa al universo si un jugador de béisbol está usando su ropa interior de la suerte, ya sea que consiga un hit depende principalmente del lanzador y de él. Pero los cohetes son máquinas delicadas y malhumoradas. Antes de que los rusos lancen cohetes desde las estepas de Kazajstán a la órbita, convocan a un sacerdote ortodoxo para que arroje agua bendita a los propulsores, su barba y su capa y el agua bendita arrastrada por el viento. No iba a ir tan lejos, pero no iba a enviar un par de correos electrónicos hasta que estuviéramos seguros y sin peso. Me sorprendió lo nervioso que estaba al ver el reloj de cuenta regresiva marcando el despegue.
Los motores se encendieron con una gran bola de fuego puro. La torre de lanzamiento se desplomó y el cohete salió de la plataforma, ganó velocidad y empujó sus brillantes hombros hacia su futura órbita. Las cámaras a bordo registraron su vuelo arqueado mientras el cielo a su alrededor pasaba del azul al púrpura y al negro. El cohete había atravesado el espacio. Los propulsores fueron descartados, y el resto del cohete continuó su ascenso hacia la noche más profunda posible, la Tierra azul y encendida detrás de él, una negrura imposible por delante. Le tomaría un poco de tiempo alcanzar a la estación espacial, que se abría camino a través de la órbita a 17,000 millas por hora, unas cinco millas por segundo. Pero el cohete y nuestro satélite estaban bien encaminados.
Todo lo valiente tiene que empezar en alguna parte, pensé.
¿Creo en otra vida en el universo?
Si, yo creo.
La mejor pregunta: ¿Qué dice nuestra búsqueda sobre nosotros? Dice que tenemos curiosidad. Dice que tenemos esperanza. Dice que somos capaces de maravillarnos y de cosas maravillosas.
Adaptado y reimpreso de Las luces más pequeñas del universo . Derechos de autor 2020 por Sara Seager. Publicado por Crown, una imprenta de Random House Publishing Group, una división de Penguin Random House.