Exo-S, una flor espacial para descubrir la Tierra 2.0

Estudiar en profundidad los planetas extrasolares en busca de una Tierra 2.0 es una de las prioridades científicas de cara a la próxima década. Pero, ¿cómo hacerlo? Una posibilidad pasa por usar una enorme ‘parasol’ espacial capaz de bloquear la luz de las estrellas y permitir ver directamente los planetas que giran a su alrededor. ¿Ciencia ficción? No, es el proyecto starshade.

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Exo-S, una misión para ver exoplanetas directamente (NASA).

La inmensa mayoría de exoplanetas descubiertos hasta el momento lo han sido por métodos indirectos (tránsito, velocidad radial o microlente) que no permiten ‘ver’ estos mundos como un punto de luz. Pero para saber si un planeta es una exotierra deberemos ser capaces de realizar análisis espectroscópicos de su atmósfera para buscar la presencia de biomarcadores que nos indiquen que es apto para la vida tal y cómo la conocemos. No obstante, analizar las características de un mundo rocoso situado a decenas de años luz no es baladí. Para ello se necesitan telescopios terrestres o espaciales de un tamaño gigantesco… a no ser que usemos algún truco, como por ejemplo la interferometría o los coronógrafos.

Estos últimos son muy populares en astronomía y consisten en un simple obstáculo situado en el interior de un telescopio que permite bloquear la luz de las estrellas (en principio se usaron -y aún se usan- para tapar el disco solar y estudiar la corona, de ahí su nombre). Por contra, montar una red de telescopios espaciales conectados para crear un sistema interferométrico es algo mucho más complejo. Durante la pasada década la NASA comenzó a estudiar la posibilidad de construir una misión espacial para estudiar exoplanetas denominada TPF (Terrestrial Planet Finder). Pronto el proyecto se dividió en dos grupos, uno a favor de construir un telescopio espacial con un coronógrafo denominado TPF-C y el otro que se mostraba partidario de crear un interferómetro o TPF-I. TPF-C, más sencillo, debía ser el precursor de TPF-I, pero cuando la NASA anunció que no había dinero para las dos misiones ambos grupos comenzaron una batalla campal para asegurarse que la suya sería la misión elegida.

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Un punto azul pálido: la Tierra vista por la Voyager 1. Así vería Exo-S un planeta como la Tierra (NASA).

Como en la guerra todo vale, los partidarios del TPF-I se dedicaron a criticar el TPF-C calificándolo de ‘inútil’, mientras que los chicos del TPF-C opinaban que el TPF-I era un artilugio de fantasía que no se podría construir con un presupuesto mínimamente realista. Ante tal barullo, la cúpula de la NASA tomó una decisión salomónica: cancelar ambos TPF y hacer borrón y cuenta nueva (en realidad, el proyecto nunca se canceló oficialmente, pero se dejó de financiar, que viene a ser lo mismo). Desde entonces la astronomía exoplanetaria quedó huérfana de una misión espacial ambiciosa. En los próximos años se lanzarán las misiones TESS (NASA) y Plato (ESA), que descubrirán exoplanetas alrededor de estrellas cercanas. Son misiones fascinantes, pero no se pueden comparar al TPF.

El espectro de esta ambiciosa misión ha continuado rondando las conciencias de la NASA y en los últimos años han surgido varias propuestas para llevar a cabo una New Worlds Mission. Recientemente el Programa de Exploración de Exoplanetas (ExEP) de la agencia ha decidido desarrollar dos propuestas de misiones espaciales para observar exoplanetas de forma directa. Su nombre: Exo-C y Exo-S. Eso sí, la NASA no quiere cometer el mismo error del TPF y las dos misiones son propuestas de ‘bajo’ coste y carácter experimental que no deben superar los mil millones de dólares cada una. Exo-C es -sí lo han adivinado- un telescopio espacial con un coronógrafo. Vamos, algo así como un TPF-C de saldo. Pero, ¿y qué es Exo-S?

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Exo-S (izquierda) y Exo-C (NASA).

Exo-S sería un telescopio espacial con un espejo primario de 1,1 metros y que emplearía un starshade para tapar la luz de las estrellas. ¿Y qué es un starshade? Pues un parasol estelar de gran tamaño, una especie de coronógrafo a lo bestia, pero situado fuera del telescopio. El concepto starshade ya tiene varios años a sus espaldas y se ha propuesto en repetidas ocasiones para ser usado con el futuro telescopio James Webb o el AFTA (o incluso con otros proyectos). El starshade es un coronógrafo externo que permite simplificar el diseño del telescopio que lo use. Es decir, no es necesario un telescopio de alta calidad (o, en términos más técnicos, no es necesaria una corrección del frente de onda). A cambio es preciso controlar dos naves espaciales en vez de una y garantizar un correcto alineamiento entre ambas. En su forma actual, concebida por el astrofísico Webster Cash, el starshade es un parasol de 34 metros de diámetro con 28 ‘pétalos’ de siete metros cubierto por varias capas de kaptón de color negro que giraría tres veces por minuto para garantizar la estabilidad y mantener su forma gracias a la fuerza centrífuga. La curiosa forma de flor con pétalos se debe a la necesidad de evitar los patrones de difracción que generaría un disco circular (en concreto, la mancha de Poisson).

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Diseño del starshade (NASA).
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Fase de despliegue de la starshade (NASA).

Vídeo del despliegue de un modelo a escala del starshade:

Uno de los problemas de usar el starshade con el James Webb o el AFTA es que el telescopio y el parasol deben moverse para permitir ocultar las estrellas de interés, que están distribuidas por todo el cielo. Esto limitaría la vida útil del telescopio en cuestión, pero en la misión Exo-S el pequeño telescopio sería el que se movería mientras el starshade permanece inmóvil a 37000 kilómetros de distancia mientras ambos están situados en una órbita solar como el telescopio Kepler. Durante la misión primaria de tres años Exo-S observaría 20 estrellas de tipo solar para buscar exotierras y otras 17 estrellas alrededor de las cuales ya se conocen planetas gigantes con el fin de estudiarlos de forma directa mediante espectroscopía. En principio, Exo-S sería capaz de detectar exotierras situadas a un máximo de 32 años luz del Sol. Por supuesto, de aquí a que sea lanzado es más que probable que se hayan descubierto varios candidatos a exotierras que podrían ser incluidos en esta lista. Con el fin de reducir los costes, Exo-S tendría solamente dos instrumentos, una cámara y un espectrómetro de baja resolución.

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Concepto del uso del starshade en Exo-S (NASA).
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Estrellas observadas por Exo-S (NASA).
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Algunas de las estrellas que observaría Exo-S (NASA).
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Espectro de planetas gigantes que podrá obtener Exo-S (NASA).

El telescopio y el starshade de Exo-S tendrían una masa total de 2140 kg serían lanzados conjuntamente medianet un cohete Atlas V. El telescopio sería un modelo comercial de observación de la Tierra, mientras que el bus sería similar al del satélite PROBA-3 y usaría propulsión iónica para proporcionar 5 km/s de Delta-V para la misión. Es decir, un diseño modular con tecnologías ya demostradas.

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Características del telescopio de Exo-S (NASA).
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Configuración de lanzamiento del Exo-S (NASA).

Exo-S está dirigido actualmente por la famosa cazaplanetas Sara Seager, que ya colaboró en TPF y que sigue siendo parte del equipo del telescopio Kepler. Por su parte, Exo-C está dirigido por Karl Stapelfeldt y de hecho usaría un telescopio muy similar al Kepler, con un espejo 1,5 metros de diámetro.. Antes de enero de 2015 los dos equipos deben redactar un informe final para la NASA detallando los dos conceptos. En caso favorable la NASA aprobaría solamente uno de ellos, que pasaría a la Fase A de desarrollo en 2017. Si todo sale bien, el lanzamiento tendría lugar en 2024.

Con el magro presupuesto de la NASA para misiones astrofísicas, Exo-S y Exo-C lo tienen muy crudo. Por ahora ambas misiones han sido concebidas como ‘plan B’ en caso de que el proyecto WFIRST-AFTA no salga adelante. Hace unos meses esta posibilidad era muy remota, pero visto lo visto Exo-S ha ganado muchos puntos de viabilidad de golpe.

Exo-S sería capaz de visualizar un exoplaneta como la Tierra de forma directa. Nada de complejas curvas de velocidad radial o de luz. Una imagen real de otro punto azul pálido. ¿Puede haber algo más emocionante?

Referencias:


29 Comentarios

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FernandoFernando

una duda nada mas, por q el parasol tiene petalos, por q no simplemente tiene forma circular? o.o

Daniel Marín

Lo pone en el artículo. A finales de año se mandará el estudio final a la NASA y, de ser aprobado, tendría luz verde en 2017 para ser lanzado en 2024. Pero por ahora esta misión es un ‘backup’ de WFIRST-AFTA :-(

danieldaniel

Si hubiera una gemela de la Tierra que tardara 365 días en completar una órbita ¿qué tiempo mínimo se necesitaría para verla con el parasol? Mientras esté detras de su estrella no se vería, ni tampoco cuando pase por delante porque la tapa el parasol. Si solo puede apuntar a una estrella cada vez, ¿cuanto tiempo necesitará para observar unos cuantos cientos de estrellas candidatas a albergar una Tierra 2.0?

TxemaryTxemary

La idea del proyecto no es estudiar nuevos sistemas, si no estudiar etrellas donde ya se sabe que hay candidatos a exotierras, descubiertas por otros medios, que no nos permiten caracterizar su atmósfera.

Esa es la razón de que este proyecto deba ser posterior a otros “cazaplanetas” que nos digan donde debemos buscar.

En cuanto a lo que preguntas, pues dependería de la “sensibilidad” del sistema sombrilla-telescopio, capacidad de este y precisión del alineado, pero podrían hacer falta incluso un mes de observación para “asegurarse” de que el planeta no está ahí, lo que llevado al estudio de cientos de estrellas pues… eso, mucho tiempo (doy por supuesto qué, si las misiones son de bajo presupuesto no tendrían una precisión mayor que observatorios existentes, lo cual es un supuesto bastante aleatorio). Pero ya digo que el propósito no es buscar nuevas, si no estudiar más endetalle las ya existentes.

danieldaniel

Pues en uno de los pdf se dice:
Science Goal #1:
Photometric Search for New Exoplanets
• Discover planets from Jupiter-like planets down to rocky planets orbiting nearby Sun-like stars
• Image rocky planets in a Sun-like star’s habitable zone
• Discover multiple planets and circumstellar dust, around target stars
Dicen descubrir, no estudiar planetas ya descubiertos. Además, que yo sepa no se han descubierto aún candidatos a exotierras en estrellas tipo solar. Bueno, creo que había uno que no se si caía en la zona habitable por poco, y no se si estaba dentro de la distancia a la que opera Exo-S que son 32 años luz.

TxemaryTxemary

Ahhh vale, pensaba que estos observatorios solo se iban a dedicar a los análisis espectroscópicos. Lo que dice de búsqueda fotométrica es lo que ya hacen otros observatorios, Corot por ejemplo podía tomar datos fotométricos de las estrellas (medir diferencias de intensidad en el brillo de esta cuando pasa un cuerpo por delante) para buscar planetas, pero no podía analizar su atmósfera, que es lo que aquí se busca.

Si le dan ambas capacidades, en principio puede observar varias estrellas al mismo tiempo (no tendría mucho sentido limitar el campo de acción), buscando planetas (cuando estos pasan por delante de su estrella) y una vez cerciorados de que están ahí usar la sombrilla para analizar la atmósfera de este.

Respecto a lo que preguntabas antes, he sido bastante optimista, en un mes se podrían tener los datos del planeta, pero luego hay que analizarlos, lo que puede demorar otro tanto y todo eso claro en condiciones ideales, en que las mediciones no se tengan que repetir. Pero si lo que se pretende es buscar nuevos, el tiempo se dispara, pues asegurarse de que el planeta está ahí (si es que hay un planeta donde se apunte) es un proceso muy costoso de medidas (mucho más en un planeta de periodo “largo” como el que comentabas), análisis y conformaciones por otros observatorios o métodos, aunque si el observatorio tiene indicios, pueden usar la sombrilla para buscar directamente, no se si es técnicamente posible pero podría ser.

En resumen para analizar “cientos de estrellas”, con planetas con periodos como el de la tierra, directamente con la sombrilla, tardaría unas 2 décadas, esto hablándo tecnicamente, al primer planeta que se encuentre con, tamaño, posición y atmósfera como la terrestre no se le va a dejar de enfocar. Pero si hay que buscarlos, más tiempo, mucho más tiempo. No se si esto resuelve tu duda, o ibas más hacia el periodo de tiempo que pasa la tierra detrás de su estrella.

TxemaryTxemary

Hombre, no hay candidatos, pero tras el “re-análisis” de los datos del Kepler hay (por confiramar masa) 4 planetas con radios menores a 2’5 veces el de la tierra en la zona habitable de su estrella, así que ese sería un buen comienzo para un observatorio así.

danieldaniel

En el vídeo se ve que el telescopio apunta a una estrella en la que los planetas pasan por delante y detrás de la misma, pero si se apunta a una estrella en la que los planetas, vistos desde el telescopio, orbiten alrededor de la estrella como girando en torno al perímetro del parasol, entonces se verían directamente, a las primeras de cambio. Como si se mirara el exosistema solar desde un punto en el polo norte o sur de la estrella (en el sentido de la eclíptica), desde “arriba” o “abajo” en vez de de perfil.

Daniel Marín

Exo-S descubrirá tanto exotierras alrededor de estrellas que podrían albergarlas como gigantes gaseosos ya descubiertos para caracterizarlos.

Saludos.

pochimaxpochimax

El PROBA-3 es una misión de la ESA. ¿Entiendo que están proponiendo algún tipo de colaboración con la ESA, para poder sacarlo adelante?

AntonioAntonio

También tiene motores de Bepi Colombo. Supongo que algún tipo de colaboración habrá.

zeroaurigazeroauriga

Daniel, ya habías hablado de exoplanetas pero la comparación de la fotografía Voyager-Tierra… Me has puesto los pelos de punta, en serio.

Imagino que si reciben luz reflejada de una exotierra, los científicos se lanzaran de cabeza a estudiar el espectro atmosférico y yo me pregunto ( y perdón si ya se había tratado este tema) aparte de oxigeno libre, metano, etc ¿ existe algún “marcador” (¿ clorofila? ) que evidenciara sin genero de dudas la existencia de vida ?

danieldaniel

Hay una técnica para detectar vegetación pero se basa en la luz reflejada por el planeta, que está polarizada. Se necesita una luna para que a su vez vuelva a reflejar esa luz y la podamos observar.
http://www.iac.es/divulgacion.php?op...#038;id=725
La espectroscopía directa de la atmósfera del planeta que yo sepa no permite eso, no lo sé con seguridad.

Daniel Marín

No, hombre, no se necesita una luna. La noticia del IAC hace referencia a una técnica en la que se estudia la luz de la Tierra reflejada en la Luna para averiguar cuál es el espectro real de nuestro planeta.

Zeroauriga: la clorofila se puede detectar en un espectro con suficiente resolución buscando el llamado “límite rojo”. Aquí hay más info:

http://danielmarin.naukas.com/2011/1...tema-solar/

Un saludo.

danieldaniel

Ya lo entiendo, se usa la Luna como espejo para analizar la luz reflejada por la Tierra sin tener que salir al espacio. ¿Pero Exo-S analizará la luz reflejada por los planetas? Si permite verlos, es porque capta la luz reflejada. Aunque si su espectrómetro es de baja resolución, no podría detectar clorofila por ejemplo.

Daniel Marín

Efectivamente, para detectar biomarcadores se necesita una resolución espectral muy alta (un telescopio más grande, vamos). Los espectros que obtendrá Exo-S son como los que salen en la entrada: capaces de distinguir la presencia de metano, agua o amoniaco en la atmósfera de planetas gigantes. Exo-S se considera una misión precursora.

JordiJordi

Pregunta: a qué distancia tiene que estar esa estructura tan grande para no tapar la estrella y todo su sistema planetario? No me entra en la cabeza.

MikeMike

A 37000 kilómetros, lo dice el artículo. La idea es que solo tape el disco estelar, y a años luz de distancia tienen un diámetro aparente así de pequeño.

qwertyqwerty

Tengo una duda basica, diría.
El hecho de poder observar planetas lejanos, directamente, como sería éste caso, o bien supongamos la misma observacion peroa a traves de un telescopio(ficticio) que permita observar un planeta con detalles tal como una foto de marte vista por una de las sondas que orbita allí: La observacion directa del planeta ¿Sería de un tiempo pasado corto, cierto? Me refiero a que no responderia al tiempo presente nuestro. ¿Esto es asi?

JuanchoJuancho

La respuesta es sí, pero es algo irrelevante. De hecho cuando miras cualquier cosa ocurre lo mismo, sólo que a una escala despreciable…

La luz tarda un tiempo en llegar, asi que lo que ves siempre va con retraso.
Cuando más lejos, más retraso. No veo la complicación.

RaúlRaúl

¿Mantener dos naves espaciales alineadas a 37.000 km una de la otra? Y lo dicen como si nada!!

Como diría Chona…”yo me quedo boba!!” (Daniel seguro que lo pilla)

Juan Carlos

Y pregunto yo, ignorante de mí.
¿Y si usamos la luna como parasol y nos ahorramos la mitad del invento?
Quizá sea más complicado mantener un telescopio alineado con la luna, pero ¿sería viable?

TxemaryTxemary

Entonces no podrías ponerlo en el órbita solar, que es la idónea para estas observaciones. El Sol podría perturbar tus observaciones y la tenue capa de polvo en suspensión en la Luna, también sería un inconveniente.

Saludos

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