Una misión espacial al foco gravitacional del sol

La búsqueda de un planeta similar a la Tierra que orbite alrededor de otra estrella es uno de los mayores desafíos de la astronomía. Es una tarea que parece cercana a la realización. Desde que los astrónomos detectaron el primer exoplaneta en 1988, han encontrado más de 2000 más.

La mayoría de estos planetas son enormes, porque los objetos más grandes son más fáciles de detectar. Pero a medida que mejoran las técnicas y tecnologías de detección, los astrónomos están encontrando planetas que coinciden cada vez más con las estadísticas vitales de la Tierra.

Incluso han comenzado a utilizar un sistema de clasificación llamado Índice de similitud de la Tierra para cuantificar qué tan similar es un exoplaneta al planeta madre. El exoplaneta que actualmente ocupa el puesto más alto es Kepler-438b, que orbita en la zona habitable de una enana roja en la constelación de Lyra, a unos 470 años luz de aquí.

Kepler-438b tiene un índice de similitud terrestre de 0,88. En comparación, Marte tiene un ESI de 0,797, por lo que es más parecido a la Tierra que nuestro vecino más cercano. Eso es emocionante, pero es inevitable que los astrónomos encuentren planetas con índices aún más altos en un futuro cercano.

Y eso plantea una pregunta interesante: ¿cuánto podemos saber sobre estos planetas, dado su tamaño y distancia de nosotros? Después de todo, el tamaño limitado de los telescopios en órbita impone severas restricciones sobre la cantidad de luz e información que podemos recopilar de un análogo de la Tierra.

Pero hay otra opción: el campo gravitatorio del sol puede enfocar la luz. Coloque un telescopio en el punto focal de esta lente gigante y debería ser posible estudiar un objeto distante con un detalle sin precedentes. Pero qué bueno sería tal lente; ¿Qué revelaría que no pudiéramos ver con nuestros propios telescopios?

Hoy recibimos una respuesta a estas preguntas gracias al trabajo de Geoffrey Landis en el Centro de Investigación John Glenn de la NASA en Cleveland. Landis analizó el poder de resolución de la lente solar y descubrió qué tan bueno podría ser.

La física básica es sencilla y ha sido elaborada con cierto detalle por los astrónomos en el pasado. La relatividad general predice que la luz debe doblarse alrededor de cualquier objeto masivo. Sin embargo, el efecto es minúsculo y solo se puede observar con objetos de una masa verdaderamente enorme.

A pesar de su tamaño, el sol solo desvía la luz en una pequeña cantidad. En consecuencia, el punto focal de nuestra lente solar está al menos a 550 unidades astronómicas de distancia. Eso está más allá de la órbita de Plutón y el Cinturón de Kuiper, que se extiende apenas 50 UA.

Sin embargo, es un trampolín tentador dado que hay poco interés entre el cinturón de Kuiper y la siguiente estrella más cercana, Alpha Centauri, que está a 280 000 AU de distancia. Por lo tanto, existe un poderoso incentivo para encontrar algún objetivo plausible al visitar el foco gravitacional, como un posible paso intermedio hacia una futura misión interestelar, dice Landis.

Pero existen desafíos significativos en el uso del sol como lente gravitacional. El primero está relacionado con la puntería y la distancia focal. La idea es colocar una nave espacial en el lado opuesto del sol del exoplaneta, pero no puede ubicarse exactamente en el punto focal donde converge la luz del exoplaneta.

Eso es porque cualquier imagen sería ahogada por la luz del sol, que seguiría siendo el objeto más brillante del cielo. En cambio, la nave espacial se ubicaría más allá del punto focal donde la luz del exoplaneta formaría un anillo de Einstein alrededor del sol. Es este anillo el que la misión tendría que probar.

Pero no es sólo el sol el que puede ahogar la imagen. La corona solar, el aura de plasma que rodea al sol, también es un problema, y ​​esto va mucho más allá. Para asegurarse de que el anillo de Einstein sea más grande que la corona y no lo oscurezca, la misión tendría que ubicarse aún más lejos, a una distancia de más de 2000 AU, dice Landis. Eso es mucho más que las 550 AU que sugirieron los análisis anteriores.

Es sencillo demostrar que esta misión sólo podía tener un único objetivo. Para apuntar a un objeto diferente a solo 1 grado de distancia, el telescopio tendría que moverse al menos 10 UA alrededor del sol, equivalente a la distancia de la Tierra a Saturno. Una diferencia significativa de la lente solar gravitacional de un telescopio convencional es que el telescopio de lente gravitacional no es en ningún sentido práctico apuntable, dice Landis.

Pero dado un objetivo específico, el poder focal del sol produce una vista enormemente ampliada. Para demostrar su potencial, Landis utiliza el ejemplo hipotético de un exoplaneta que orbita una estrella a unos 35 años luz de distancia. Si este planeta tuviera el mismo tamaño que la Tierra, la imagen en el plano focal del sol tendría 12,5 kilómetros de ancho.

Entonces, la misión solo pudo ver una pequeña fracción de la superficie del planeta. De hecho, un telescopio con un detector de un metro tomaría imágenes de un área de un kilómetro cuadrado en la superficie del planeta, eso es más pequeño que el Central Park de Nueva York.

Apuntar un telescopio a un área tan pequeña y distante es complicado. No puede haber un buscador en un telescopio de este tipo porque el objetivo sería invisible excepto cuando se usa la lente de gravedad. Por lo tanto, la posición del exoplaneta deberá conocerse con alta precisión.

Incluso entonces, señalarlo no será trivial. Encontrar un planeta de ~10^4 km de diámetro a una distancia de 10^14 km requiere un conocimiento y una precisión de puntería de 0,1 nanorradianes, dice Landis. La precisión de puntería de última generación es hoy en día de unos 10 nanorradianes.

Pero eso es solo el comienzo. El exoplaneta se moverá mientras orbita alrededor de su estrella. Landis analiza qué pasaría si el exoplaneta tuviera la misma velocidad orbital que la Tierra, 30 km/seg. En ese caso, una sección de un kilómetro del planeta atravesará un detector de un metro en solo 33 milisegundos y todo el planeta pasará en 42 segundos.

Evitar el desenfoque moviendo el telescopio para seguir la imagen será difícil. Landis dice que la nave espacial necesitará cambiar su velocidad en 30 metros por segundo para mantenerse y que en el transcurso de un año seguirá una elipse con un semieje mayor de unos 150.000 kilómetros. No está claro qué tipo de sistema de propulsión sería capaz de hacer esto.

La alternativa, por supuesto, es utilizar técnicas de procesamiento de imágenes para eliminar la borrosidad, lo cual es cada vez más factible con la tecnología actual.

Otro problema importante es filtrar la luz del sol, sin mencionar la estrella madre del exoplaneta, que será mucho más brillante que el objetivo. El telescopio también deberá minimizar la interferencia de otras fuentes, como la luz zodiacal. Se ha dedicado mucho esfuerzo a esto para la generación actual de telescopios de caza de planetas. Sin embargo, dice Landis, este no es un problema trivial.

Dados todos estos problemas, ¿cuánto mejor sería la imagen de una lente gravitatoria en comparación con una imagen sin lente? La estimación de Landis es que la lente aumenta la intensidad de la luz del exoplaneta por un factor de 100.000.

Esa es una ventaja significativa. Pero solo se puede realizar si la luz del exoplaneta se puede separar bien de la luz de otras fuentes, como el sol, la corona, la estrella madre, etc. Y esta es una gran incógnita.

La utilidad de la misión depende de esto. Dadas todas las dificultades, ¿vale la pena viajar más allá de las 600 UA para simplemente ganar un factor de 100 000? ¿Es suficiente? pregunta Landis.

Esa es una pregunta que los astrónomos, las agencias de financiación y el público en general deberán considerar con cierto detalle. Landis no sugiere que tal misión deba emprenderse ahora o que sea posible o asequible. Pero su análisis ciertamente ha aumentado las apuestas.

Yendo más allá, parece difícil subestimar la importancia de encontrar un análogo de la Tierra que tenga el potencial de albergar vida. La idea de mapear áreas en este planeta que tienen solo un kilómetro de tamaño será una poderosa motivación.

En la Tierra, este tipo de imagen revelaría islas, ríos, parques, Grandes Murallas, autopistas, ciudades, etc. Tal vez una nave espacial situada en el foco gravitacional de una estrella lejana esté revelando estas cosas en este momento a una población alienígena hechizada. Solo imagina.

Ref: arxiv.org/abs/1604.06351 : Misión al Foco Gravitatorio del Sol: Un Análisis Crítico

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