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La gravedad solar permitiría mirar directamente la superficie de un exoplaneta

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La NASA afirma que se podrían estudiar características de una superficie equivalente a Central Park de planetas distantes al emplear el Sol como una gigante lente gravitacional

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Teresa Woods
  • 28 Abril, 2016

La búsqueda de un planeta similar a la Tierra que orbite alrededor de otra estrella es uno de los mayores retos de la astronomía, y parece que está cada vez más cerca de conseguirse. Desde que unos astrónomos divisaron el primer exoplaneta en 1988, han encontrado más de 2.000 más.

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

Hasta han empezado a emplear un sistema de clasificación llamado el Índice de Similitud con la Tierra (IST) para cuantificar el parecido entre un exoplaneta y nuestro planeta madre. El exoplaneta que actualmente ocupa el lugar más destacado en esta clasificación es Kepler-438b, que orbita dentro de la zona habitable de una enana roja en la constelación Lyra a unos 470 años luz de aquí.

Kepler-438b tiene un IST de 0,88. En comparación, el de Marte es de 0,797, por lo que resulta más similar a la Tierra que nuestro vecino más próximo. Es emocionante, y lo más probable es que los astrónomos encuentren planetas con unos índices aún más altos en un futuro próximo.

Y eso suscita una interesante pregunta: ¿cuánto podemos llegar a aprender sobre estos planetas, dado su tamaño y la distancia que los separa de nosotros? Después de todo, el tamaño limitado de los telescopios en órbita limita mucho la cantidad de luz e información que podemos recoger de los análogos terrestres.

Pero existe otra opción, el campo gravitacional del Sol puede enfocar la luz. Al colocar un telescopio en el punto focal de esta lente gigante, debería resultar posible estudiar un objeto distante con un nivel de detalle sin precedentes. Pero, ¿cuán buena resultaría una lente así? ¿Qué revelaría que no podamos ver con nuestros propios telescopios?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo del investigador del Centro de Investigaciones John Glen de la NASA en Cleveland (EEUU) Geoffrey Landis, quien ha analizado el poder de resolución de la lente solar y ha determinado cuál sería su calidad.

La física subyacente es sencilla y ha sido desarrollada anteriormente por los astrónomos. La relatividad general predice que la luz ha de doblarse alrededor de cualquier objeto masivo. El efecto es diminuto, sin embargo, y sólo puede observarse con objetos de una masa realmente enorme.

A pesar de su tamaño, el Sol sólo dobla la luz en una cantidad diminuta. Por consiguiente, el punto focal de nuestra lente solar se encuentra al menos a una distancia de 550 unidades astronómicas (UA), una distancia más allá de la órbita de Plutón y el Cinturón de Kuiper, que se extiende por unas simples 50 UA.

No obstante, representa un trampolín atractivo dado que hay pocos elementos de interés entre el Cinturón de Kuiper y la estrella más próxima, Alfa Centauri, que se encuentra a 280.000 UA. "Por tanto existe un potente incentivo para encontrar algún objetivo plausible para visitar el punto focal gravitacional, como un posible paso intermedio hacia una futura misión interestelar", explica Landis.

Pero existen importantes retos con el uso del Sol como lente gravitacional. El primero tiene que ver con la dirección y la distancia focal. La idea consiste en colocar una nave espacial en el lado opuesto del Sol desde el exoplaneta, pero no puede colocarse exactamente en el punto focal donde converge la luz del exoplaneta.

El motivo es que cualquier imagen se vería sobreexpuesta por la luz del Sol, que seguiría representando el objeto más brillante del cielo. En lugar de eso, la nave espacial se colocaría más allá del punto focal donde la luz del exoplaneta formaría un anillo de Einstein alrededor del Sol. Este anillo sería el objeto de muestreo de la misión.

Pero el Sol no es lo único capaz de sobreexponer la imagen. La corona solar, el aura de plasma que lo rodea, también representa un problema, y se extiende mucho más allá. Para asegurarse de que el anillo de Einstein sea más grande que la corona y de que no se vea oscurecida por ella, la misión se tendría que colocar aún más lejos, a una distancia de más de 2.000 UA, según Landis, mucho más lejos que las 550 UA que los análisis anteriores habían sugerido.

Esta misión sólo podría tener un único objetivo. Para dirigirse hacia otro objeto a tan sólo un grado de diferencia, el telescopio tendría que desplazarse alrededor del Sol por al menos 10 UA, lo equivalente a la distancia entre la Tierra y Saturno. "Una importante diferencia entre la lente gravitacional solar de un telescopio convencional es que el telescopio de lente gravitacional no es, en ningún sentido práctico, dirigible", asegura Landis.

Pero dado un objetivo concreto, la potencia focal del Sol genera una vista enormemente magnificada. Para demostrar su potencial, Landis emplea el ejemplo hipotético de un exoplaneta que orbite 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 sería de 12,5 kilómetros de ancho.

Así que la misión sólo podría llegar a ver una pequeña fracción de la superficie del planeta. De hecho, un telescopio con un detector de un metro enfocaría una zona de un kilómetro cuadrado de la superficie del planeta, un área más pequeña que Central Park en Nueva York (EEUU).

Dirigir un telescopio a un área tan pequeña y remota resulta complicado. Un telescopio así no puede incluir una "mirilla de búsqueda" porque el objetivo sería invisible salvo con el uso de una lente gravitacional. Así que hay que conocer la posición del exoplaneta con una precisión muy exacta.

Incluso entonces, apuntarlo no sería una tarea trivial. "Encontrar un planeta de ~10^4 kilómetros de diámetro a una distancia de 10^14 kilómetros requiere un conocimiento de dirección y una exactitud de dirección de 0,1 nanorradianes", afirma Landis. La precisión de puntería de la tecnología actual es de unos 10 nanorradianes.

Pero eso es sólo el principio. El exoplaneta se desplazará mientras orbite su estrella. Landis analiza lo que pasaría si el exoplaneta tuviera la misma velocidad de órbita que la Tierra, 30 kilómetros por segundo. En ese caso, una sección de un kilómetro del planeta atravesaría un detector de un metro en tan sólo 33 milisegundos y el planeta al completo pasaría en 42 segundos.

Impedir borrosidades al mover el telescopio para rastrear la imagen será difícil. Landis dice que la nave espacial tendrá que cambiar su velocidad por 30 metros por segundo para mantener el ritmo y que durante el transcurso de un año seguiría una elipse con un eje semimayor de unos 150.000 kilómetros. No está claro qué tipo de sistema de propulsión sería capaz de esto.

La alternativa, por supuesto, consistiría en emplear técnicas de procesamiento de imágenes para eliminar las borrosidades, lo que resulta cada vez más factible con las tecnologías actuales.

Otro problema importante es filtrar la luz del Sol, sin mencionar la luz procedente de la estrella principal del exoplaneta, que será más brillante por órdenes de magnitud que el objetivo. El telescopio también tendrá que minimizar las interferencias de otras fuentes como la luz zodiacal. Muchos esfuerzos se han volcado en esta cuestión para la generación actual de telescopios diseñados para la caza de planetas. No obstante, Landis afirma que no representa un problema trivial.

Dados todos estos problemas, ¿cuán mejor será la imagen captada por una lente gravitacional en comparación con una imagen no amplificada? Landis calcula que la lente aumenta la intensidad de la luz del exoplaneta por un factor de 100.000.

Representa una importante ventaja. Pero sólo podrá lograrse si la luz del exoplaneta pueda ser aislada eficazmente de la luz de otras fuentes como el Sol, la corona solar y la estrella principal del exoplaneta, entre otros. Y este punto sigue representando una gran incógnita.

La utilidad de la misión depende de esto. "Dadas todas las dificultades, ¿merece la pena viajar más allá de 600 UA simplemente para ganar un factor de 100.000? ¿Es suficiente?" pregunta Landis.

Es una pregunta que los astronomos, las agencias de financiación y el público tendrán que considerar en detalle. Landis no sugiere que tal misión deba emprenderse ahora, ni siquiera que sea posible ni asequible. Pero su análisis desde luego ha subido la apuesta.

Yendo más allá, no hay que infravalorar la importancia de encontrar un análogo a la Tierra con el potencial de sustentar la vida. La idea de mapear zonas en este planeta que sean de tan sólo un kilómetro representará una fuerte motivación.

En la Tierra, este tipo de imagen revelaría islas, ríos, parques, la Gran Muralla China, autovías, ciudades, y así sucesivamente. Tal vez una nave espacial colocada en el punto focal gravitacional de una remota estrella está revelando estas cosas ahora mismo a una atónita población alienígena. Imagíneselo. 

Ref: arxiv.org/abs/1604.06351: Mission to the Gravitational Focus of the Sun: A Critical Analysis

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