Cuando se lance el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, tan pronto como a finales del próximo mes, llevará a cabo una de las proezas de ocultación más precisas de la astronomía hasta la fecha. El telescopio transportará el primer coronógrafo "activo" destinado al espacio, un instrumento que elimina eficazmente la mayor parte de la luz de una estrella durante la fotografía.
Permitirá a los astrónomos tomar las primeras imágenes de planetas que orbitan otras estrellas similares a los de nuestro sistema solar. En última instancia, podría allanar el camino para una futura misión capaz de captar las primeras fotografías de mundos similares a la Tierra.
“Espero que sea recordado por ser ese peldaño crítico para… encontrar la Tierra 2.0”, dice Brandon Creager, el ingeniero mecánico principal del instrumento en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.
Nombrado en honor a Nancy Grace Roman, la primera jefa de astronomía de la NASA, este nuevo telescopio estará equipado con una cámara de gran campo de aproximadamente 300 megapíxeles que le permitirá capturar imágenes unas 100 veces más grandes que las exposiciones de mayor campo del Telescopio Espacial Hubble, con una resolución similar.
Estas capacidades ayudarán a los astrónomos a desentrañar las misteriosas identidades de la materia oscura y la energía oscura, y a detectar alrededor de 100.000 nuevos exoplanetas, planetas fuera de nuestro sistema solar, cuya presencia puede inferirse por la forma en que distorsionan la luz de estrellas más distantes. Javier Viaña, científico investigador en Harvard y con dos proyectos seleccionados para el primer año de observación altamente competitivo de Roman, compara este avance con pasar de “entrevistar a un puñado de personas” a “realizar un censo global”.
Otra cámara utilizará el coronógrafo, bloqueando la luz de una estrella mientras observa un sistema estelar a la vez. El instrumento permitirá a los astrónomos una visión sin precedentes del espacio alrededor de las estrellas, lo que les permitirá ver exoplanetas más pequeños, menos luminosos y más cercanos. “Nos da la capacidad de ver planetas que antes no habíamos podido ver físicamente”, dice Creager.
La anatomía de un ardid de desaparición
Los coronógrafos espaciales no son nuevos. Pero las enca aciones anteriores, como las que se encuentran actualmente a bordo del Hubble y el Telescopio Espacial James Webb, utilizan un sistema estacionario para bloquear la luz cegadora de una estrella. El enfoque ayuda, pero es un poco como poner el pulgar sobre una linte a mientras se busca una lucié aga en una habitación oscura. Aunque la bombilla desaparezca, el resplandor residual aún puede escapar y anular la luz del insecto. Dentro de un telescopio, ese resplandor puede provenir de la luz que se filtra por los bordes de la maquinaria o de minúsculas imperfecciones en los espejos y recubrimientos que pueden dispersar la luz estelar en motas. Todo esto puede ocultar, o incluso hacerse pasar por, un planeta.
El coronógrafo de Roman, sin embargo, intentará algo completamente inédito en los telescopios espaciales hasta este año: Antes de cada observación, medirá esa luz residual e intentará suprimirla, una técnica conocida como control activo de frente de onda.
El telescopio puede hacer esto porque contiene dos espejos deformables. Cada uno tiene una cuadrícula de 48 por 48 actuadores (pequeños pistones) bajo una lámina de vidrio fina y deformable. Al aplicar una pequeña cantidad de voltaje, los actuadores se contraen y tiran ligeramente hacia atrás de sus secciones del espejo, como miles de dedos microscópicos esculpiendo delicadamente una superficie.
El efecto es muy sutil: Cada segmento de espejo puede deformarse hasta 0,5 micrómetros, o aproximadamente una cuarta parte del tamaño de una bacteria E. coli, y en incrementos tan pequeños como aproximadamente 10 picómetros. Eso es alrededor de una décima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno, afirma Ilya Poberezhskiy, ingeniero de sistemas del proyecto del instrumento en el JPL.
Los actuadores permiten a los espejos crear un “frente de onda activo”, donde cada componente se mueve a la posición perfecta para anular las ondas de luz no deseada entrantes —un poco como unos auriculares con cancelación de ruido, pero para la luz en lugar del sonido—. La luz “anulada” crea una “región en forma de rosquilla alrededor de la estrella donde suprimimos la luz estelar y donde esperamos ver exoplanetas”, señala Poberezhskiy.
En comparación con los actuales coronógrafos espaciales, se espera que el sistema mejore la sensibilidad a los exoplanetas frente al resplandor de sus estrellas anfitrionas en un factor de hasta 1.000, lo que permitirá revelar planetas que hasta ahora habrían sido demasiado tenues para ser detectados.
Al igual que Hubble y JWST, Roman también utiliza máscaras, placas con patrones colocadas en el camino de la luz que están diseñadas para bloquear los fotones que chocan contra ellas. Una herramienta en el arsenal de máscaras de Roman es la "hierba de silicio", un matorral de púas microscópicas en algunas máscaras que puede utilizarse en ciertas configuraciones para absorber fotones y evitar que reboten por el telescopio y lleguen accidentalmente a un detector.
La luz que entra en el bosque rebota cada vez más profundamente entre las púas y queda atrapada en lugar de reflejarse de vuelta hacia la cámara. “Una vez que la luz entra ahí, nunca sale”, afirma Poberezhskiy. Los espejos y las máscaras forman una sucesión de compuertas y setos para guiar la mayor cantidad posible de luz planetaria conservada hacia el detector final.
Júpiters alienígenas
Esta compleja configuración podría abrir un nuevo capítulo en la imagen directa de exoplanetas. Casi todos los exoplanetas fotografiados hasta ahora son jóvenes sobredimensionados que no se parecen en nada a los residentes de nuestro sistema solar: varias veces la masa de Júpiter, aún brillando con el calor residual de su formación, y orbitando decenas o cientos de veces más lejos de su estrella de lo que la Tierra lo hace del sol. Esto se debe a que son relativamente fáciles de ver. Su tamaño, calor y distancia de su estrella progenitora los hace brillar intensamente en luz infrarroja, lejos de lo peor del resplandor estelar.
Roman, sin embargo, podría obtener imágenes directas de un verdadero análogo de Júpiter: un planeta similar a Júpiter en masa y que orbita una estrella de tipo solar unas pocas veces más lejos de lo que la Tierra lo hace de nuestro sol. A diferencia de los Júpiteres calientes que podemos ver ahora, este sería un gigante gaseoso mucho más maduro, como el nuestro, reflejando principalmente la luz de su estrella progenitora tras miles de millones de años de enfriamiento en lugar de emitir intensamente la suya propia.
Los astrónomos han podido inferir la existencia de tales planetas a partir de la oscilación gravitatoria que estos imprimen a la estrella. Roman, en cambio, recopilará luz estelar reflejada del propio planeta. «No estamos mirando la estrella. No estamos observando el efecto del planeta sobre la estrella», afirma Meredith MacGregor, profesora de astronomía en Johns Hopkins, que también ha conseguido un programa de observación. «Estamos observando el planeta directamente, y eso es súper potente».
Una vez que este instrumento esté disponible, será el tu o de los científicos para hacer su trabajo. «Sinceramente, me aterra un poco cómo vamos a gestionarlo, porque creo que es una cantidad ingente de datos», dice MacGregor. «Creo que la gente seguirá trabajando legítimamente con los datos de Roman durante décadas».
Pero no espere ver una foto en 4K de un Júpiter alienígena en los próximos meses. Roman no podrá resolver un planeta así en un globo sólido; en el mejor de los casos, probablemente se asemejará a un puñado de píxeles. Aun así, eso será suficiente, dice MacGregor, ya que Roman podrá usar el coronógrafo para obtener información sobre las diversas longitudes de onda de luz del planeta, lo que podrá informar a los astrónomos sobre su química atmosférica.
“Estás transformando algo que es un punto de luz en un mundo real”, señala, “porque si sabes eso sobre su atmósfera, ahora sabes algo sobre la superficie del planeta y la posibilidad de que haya vida en ese planeta, ¿verdad? Así que es un gran paso”.
Durante sus primeras observaciones, científicos e ingenieros comprobarán si pueden mantener una estrella en el centro exacto de las máscaras del coronógrafo, dar forma a los espejos, «cavar» el dónut oscuro (como lo describe Poberezhskiy), y luego mantener todo mientras la nave espacial se desplaza por el espacio y cambia activamente de temperatura.
Los resultados servirán para orientar el propuesto Observatorio de Mundos Habitables de la NASA, el sueño de muchos astrónomos de exoplanetas, que, en teoría, será capaz de separar la luz de un planeta similar a la Tierra de la de una estrella similar al Sol, más de 10 mil millones de veces más brillante.
Creager, que ha trabajado en el instrumento desde 2018, está orgulloso del logro: "No mucha gente puede decir: 'He construido algo que está tomando una foto de un planeta que orbita una estrella a 50 o 100 años luz de distancia'". Imagina el momento en que él y su equipo podrán ver la primera imagen cuando llegue: "Sí, lo hicimos nosotros". Aunque el planeta solo se vea como un diminuto punto, el verdadero logro de Roman será la oscuridad diseñada a su alrededor.