Una misión al foco gravitatorio del Sol para estudiar exoplanetas similares la Tierra

Saliendo de nuestro sistema solar, a casi medio camino de la estrella más cercana se encuentra una región fascinante. A primera vista no tiene nada de especial. Allí no hay ningún cuerpo relevante –que sepamos– y el Sol es tan débil que es prácticamente una estrella más del firmamento. Y, sin embargo, en esta zona la Relatividad General de Einstein nos brinda la oportunidad de usar nuestra estrella como si fuese un enorme telescopio. Un telescopio tan grande que en teoría podríamos ver los detalles de los continentes y océanos de un hipotético planeta similar a la Tierra situado a decenas de años-luz. Hablamos del punto focal del Sol.

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Principio de lente gravitatoria: el Sol (objeto azul) actúa como un telescopio creando un anillo de Einstein de un objeto situado a mayor distancia (writescience.files.wordpress.com).

Albert Einstein nos enseñó que cualquier objeto con masa distorsiona el espacio-tiempo y, por tanto, es capaz de desviar la luz a su alrededor (técnicamente decimos que la luz viaja a lo largo de una geodésica una ‘línea recta’– en un espacio-tiempo tetradimensional). Para objetos de pequeña masa como científicos o planetas el efecto es despreciable, pero no así para estrellas y otros objetos masivos. Ya en 1979 Von Eshleman propuso aprovechar el efecto de lente gravitatoria predicho por la Relatividad General para usar el Sol como un gigantesco telescopio.

Pero sería el investigador italiano Claudio Maccone el principal valedor de esta propuesta. Desde los años 80 Maccone se ha convertido en el adalid de una misión al punto focal del Sol denominada FOCAL, un concepto que ha sufrido sucesivas mejoras a lo largo de los años. No obstante, el uso del Sol como telescopio no es nada sencillo y en un reciente trabajo Geoffrey Landis (NASA), nos recuerda por qué. De entrada, y a pesar de la contradicción, hay que entender que el ‘punto focal’ del Sol no es un punto, sino la superficie de una esfera. El segundo problema es la lejanía. Con el fin de poder usar el Sol como un enorme anteojo debemos alejarnos a una distancia mínima de unos 83 000 millones de kilómetros (550 Unidades Astronómicas). Para que nos hagamos una idea, Neptuno se encuentra a 4500 millones de klómetros (30 UA) del Sol. O sea, que una misión al punto focal sería casi una misión interestelar.

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Concepto de la misión FOCAL y posición (Maccone et al.).

Otro factor que suele pasar desapercibido es que 550 UA es la distancia mínima con la que seremos capaces de usar el Sol como lente, ya que esta distancia es aquella que corresponde a los rayos de luz focalizados que pasan justo rozando el borde de la fotosfera solar (la ‘superficie’ visible del Sol). A mayores distancias es posible seguir usando el Sol como telescopio, pero veríamos los rayos de luz que pasan por el Sol a cada vez más distancia. Como veremos, lo ideal es situar nuestra sonda más allá de esta distancia mínima.

Ahora bien, supongamos que somos capaces de llegar hasta el ‘plano’ focal del Sol, una misión que con la tecnología actual requeriría de varias décadas de viaje. Evidentemente, el principal problema es que debemos saber qué vamos a observar con antelación. La superficie de la esfera del plano focal es tan brutalmente extensa que tardaríamos siglos o milenios en cubrirla. Por lo tanto, tenemos que estar totalmente seguros de que el objetivo vale la pena. Lo único que justificaría una misión así sería una Tierra 2.0 en la que los telescopios terrestres hubieran detectado en su atmósfera la existencia de biomarcadores compatibles con la vida.

Incluso si este es el caso, utilizar el Sol como telescopio no es nada sencillo. Obviamente, deberemos bloquear la luz del propio Sol si queremos ver algo, así que sería necesario usar un coronógrafo u ocultador independiente (tipo starshade). Más difícil será el bloqueo de la luz de la estrella del exoplaneta, que estará a tan solo un segundo de arco de distancia, así como la difusa luz zodiacal procedente del sistema planetario objeto de estudio. Ahora bien, aunque tapemos el Sol tendremos que hacer frente al brillo de la corona solar. Una forma directa de bloquearla es emplear un coronógrafo con un diámetro mayor al tamaño aparente del Sol, lo que implica situar nuestra sonda desde una distancia mayor a la distancia mínima del plano focal. De todas formas, la corona solar no tiene una frontera clara y tendríamos que poner el límite en función de la relación señal-ruido que más nos convenga.

La Relatividad General nos dice que la imagen del hipotético exoplaneta estará distorsionada formando un anillo de Einstein. Un pequeño inconveniente, podríamos pensar: usando el algoritmo adecuado no deberíamos tener problemas a la hora de reconstruir la imagen hasta que tenga una forma reconocible. Sí, pero el inconveniente es que el anillo de Einstein en cuestión cubrirá una superficie de varios kilómetros cuadrados. Por ejemplo, para un planeta de tamaño terrestre situado a diez años luz, el anillo de Einstein en el punto focal tendría unos 13 kilómetros de diámetro. Ni que decir tiene, es inviable construir un detector de semejante tamaño. Un telescopio en el punto focal del Sol vería por lo tanto solamente un trozo del exoplaneta. Si el telescopio tuviera un metro de diámetro observaríamos un área de un kilómetro de diámetro en la superficie de un planeta localizado a diez años luz. Alucinante, ¿no? Bueno, no vayamos tan rápido.

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Anillo de Einstein de un hipotético exoplaneta visto desde el punto focal del Sol (Landis et al.).

Porque primero debemos saber con una precisión exquisita la posición del exoplaneta alrededor de su estrella en cada momento y calcular así dónde se encontrará el anillo de Einstein en el plano focal. La precisión de apuntado sería del orden de 0,1 nanoradianes. O lo que es lo mismo, una burrada. ¿Esto es todo? Pues no, porque hasta ahora no hemos tenido en cuenta que el planeta se mueve en su órbita alrededor de su estrella. Pongamos que su velocidad de traslación sea de unos 30 km/s, como la Tierra. En ese caso, la sección de un kilómetro de diámetro que estábamos observando tan plácidamente se saldrá de nuestro campo de visión en tan solo 33 milisegundos, y el planeta entero en 42 segundos.

Pese a todo, esto no significa que no seamos capaces de observar nuestro objetivo. Simplemente podemos colocar nuestra sonda-telescopio en una zona y esperar que cruce la imagen del anillo de Einstein del exoplaneta. Ahora bien, esto únicamente nos permitirá cartografiar una pequeña franja del planeta. Para observaciones más elaboradas deberíamos seguir la imagen del planeta mientras se mueve por el plano focal. Para ello la nave tendría que ejecutar una maniobra con una Delta V de 200 m/s a lo largo de un año, una cifra solo al alcance de un sistema de propulsión muy eficiente (o sea, con un impulso específico muy alto).

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Correspondencia entre las secciones del anillo de Einstein del exoplaneta y su superficie (Landis et al.).

Aún en el caso de que seamos capaces de superar todas las barreras teóricas y tecnológicas antes mencionadas, la imagen observada estaría ligeramente borrosa debido a las diversas limitaciones prácticas. Se puede contrarrestar este efecto con técnicas de deconvolución adecuadas, pero en todo caso no podríamos alcanzar resoluciones del orden de kilómetros. La resolución precisa dependerá de muchos parámetros, pero rondaría los cientos de kilómetros aproximadamente.

Teniendo todo esto en cuenta, resulta evidente que una misión al punto focal del Sol no es tan atractiva como pudiera parecer a primera vista. ¿Vale la pena tanto esfuerzo para obtener una imagen distorsionada de un planeta con una resolución relativamente baja? Obviamente, a día de hoy la respuesta es no. Siempre será más fácil destinar los recursos de una misión de este tipo para construir un telescopio espacial de gran tamaño con un ocultador externo o un sistema interferométrico capaz de obtener datos de nuestra Tierra 2.0, con la ventaja adicional de que un sistema de este tipo podría emplearse para estudiar muchos otros objetivos en la bóveda celeste. A pesar de todo, siempre cabe la posibilidad de realizar una misión al punto focal más modesta con el objetivo de realizar observaciones en el espectro de radio (el efecto de lente gravitatoria afecta a todas las longitudes de onda) o para poner a prueba una vez más la Relatividad General.

Referencias:

  • http://arxiv.org/pdf/1604.06351v1.pdf
  • http://www.kiss.caltech.edu/study/science/FOCAL%20Mission%20Concept%20JOHNSON.pdf

38 Comentarios

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JofaserimonJofaserimon

Y siempre queda el problema de las comunicaciones, con su correspondiente retraso, potencia a emitir, etc. Resumiendo, imposible.

AntonioAntonio

Para las comunicaciones se usa también la lente gravitatoria, cuando la Tierra esté en oposición.

JordiJordi

“Para objetos de pequeña masa como científicos…”

Los hay panzurrones con una masa nada desdeñable 🙂

JordiJordi

Una misión así sería todo un hito, pero los problemes son a una escala que no podemos solventar. Solo para enviar la sonda al punto focal nos llevaría décadas, toda una vida.

Daniel FernandesDaniel Fernandes

Además necesitariamos una fuente de energía de tres pares de narices… Nuclear, ya sea fision (hoy) o fusión (20-40 años mas), que podriamos usar para impulsión, porque… ¿La sonda debe situarse en orbita? Entiendo que para llegar en tiempo razonable tiene que acelerar una burrada y pasar a trayectoria hiperbolica… Si luego tiene que frenar o mucho ISP o vamos a necesitar un SLS en órbita para acelerar y frenar el bicho ese…

AntonioAntonio

No es necesario frenar. Cualquier punto a más de 550 UA te vale (bueno, los más lejanos son algo mejores, como explica Daniel).

Stewie GriffinStewie Griffin

Y hacer una paralaje de Einstein… O vamos, incluso una “normal”, una base de 1100 UA como que sería la repera (las hacemos con 2 UA)…

U-95U-95

Ya Asimov en los 80 mencionaba misiones de ese tipo en sus libros de divulgación (TAU, Thousand Astronomical Units.)

Una nave para ella es un salto cuántico respecto a lo que tenemos: ensamblaje en órbita dado su tamaño, un sistema de propulsión de verdad (nuclear, el tipo exacto es otro tema) y cuánto más potente mejor, sistemas capaces de aguantar los muchos años de viaje hasta allí incluyendo más energía nuclear para abastecerlos, y sobre todo temas logísticos (como gestionar una misión que iba a durar décadas) . No iba a ser fácil, y la verdadera utilidad iba a ser para poner a prueba la RG de nuevo.
A lo mejor con las mini velas solares del otro día se podría llevar a cabo de forma mucho más barata.

ricard mirasricard miras

¿La calidad de la lente gravitatoria aumenta con la gravedad del objeto que se usa? Me imagino usando el agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia para ver planetas en otras galaxias 😉

AngelAngel

Daniel, primero nos das “el dulce” y luego concluis que es inviable. ¡Eso no se hace! 🙂

Robert HillRobert Hill

Para poder usar al sol como lente alejarnos 550 UAs.
¿Y para poder abarcar con la vista nuestra galaxia? ¿Cuanta distancia necesitamos para poder ver la Vía Láctea y hacer unas fotillos de la galaxia completa?
Que también sería muy interesante.

GermánGermán

Una pregunta: no sería posible utilizar otra estrella como telescopio? La pregunta que subyace es, el punto focal de Próxima Centauri no podría estar mas cercano que el del propio Sol? En ése caso, la misión podría ser mas viable?

Alejandro Pastrana GarcíaAlejandro Pastrana García

Una pregunta tal vez tonta: ¿no estamos ya en el punto focal de algún otro objeto? ¿No podemos desde la Tierra o sus proximidades usar algún objeto para observar regiones distantes?

Saludos

Juan-MiguelJuan-Miguel

Ya se hace. Se lleva años observando lejanos quasares gracias a las lentes gravitatorias que producen galaxias más cercanas.

PoyejaliPoyejali

Daniel, podemos pedir a @DarkSapiens que arrime si puede el hombro entre “café cuántico” y “café cuántico” para explicar bien la mision FOCAL, que en este tema de lentes gravitacionales , seguro que él es el más indicado para explicarnoslo bien.

Siguiendo la referencia de @antonio en su comentario, he visto ésta que, también en los comentarios, responde a distintas preguntas:
· “The FOCAL Mission: To the Sun’s Gravity Lens” -> http://www.centauri-dreams.org/?p=785

Para mí el mayor “pero”, no es el de la imagen o calidad de imagen en el que está focalizado el paper de Geoffrey Landis, sino que sólo lo puedes “apuntar a un sitio” muy determinado, justo en la trayectoria sonda-sol. O sea sólo para ver un exoplaneta ya detectado con mayor precisión al otro lado del sol. Casi es mejor el paralaje con 182 días de diferencia 🙂

Y luego el otro “pero”, es que la sonda para llegar a los 550 AU se tardaría más de un siglo. Si lanzáramos una FOCAL a la misma velocidad que la NH, tardaría unos 138 años en llegar al destino de las 550 AUs. La New Horizons está a 36 AU y lleva 9 años viajando y las Voyager están a 111 y 134 UAs del sol y llevan 30 años viajando. Así que ¡Cuán largo me lo fiais, amigo Sancho!

Prefiero una media docena de “Keplers” o varios E-ELTs o SKAs o incluso un “económico” JWST (James Webb Space Telescope) .

wachovskywachovsky

Sería algo así: la gravedad como lupa convexa de las conicas densifica haciendo convergentes los haces y fotones la geometría de la luz recti-curvilínea, esa geométrica gravitatoria nos amplifica lo perdido espacialmente en la trayectoria por la distancia, desde Kepler que ya podríamos tener una teoría cuántica de la gravedad y topología geométrica de los gravitones, pero aún carecemos de ella; repitamos, la geometría gravitacional no aumenta la energía o frecuencia de los cuantos de luz, solo densifica la cantidad espacial densificando por número de unidades cuánticas, y lo estaría haciendo con otros cuantos de menos energía que apuntalan la convergencia y que llamamos gravitones con su correspondiente geometría riemanniana hiperbólica.

OscarOscar

No he entendido del todo bien lo del anillo de Einstein. ¿Se trataría de un anillo o de una esfera?, Si se trata de un anillo ¿Serviría de algo utilizar una vela solar con forma anular que reflejase todo el anillo en un nuevo foco más pequeño? Si se trata de una esfera supongo que es más complicado, quizás un sensor de grafeno gigantesco de forma esferica?

Paul BarbadewPaul Barbadew

Un artículo muy sugerente.
¿Qué masa debe tener un cuerpo para que el efecto de lente sea apreciable? Es decir, ¿se podría usar Júpiter como lente?

Quizás Júpiter sea muy pequeño y no se vea nada, o quizás la focal de Júpiter esté también muy lejos , lo que me lleva a la segunda pregunta, ¿cómo se calcula esa distancia focal?

Saludos

Francisco MFrancisco M

¿Por qué usar el Sol? Si se necesita una distancia tan grande, ¿pues por qué no usar directamente una estrella cercana como lente? ¿O hay una distancia máxima que no debe ser superada?
La verdad que el hecho de mandar un objeto tan lejos, más de 500AU ya es una “misión en sí misma”. Nunca lo hemos hecho, no se podrá hacer en todo lo que nos queda de vida a los que aquí comentamos. Y por tanto no es viable por el efecto político de “se hacen cosas para que se vea el beneficio inmediato” (y no cuando les toque a nuestros nietos). Sin contar que, ¿dónde encontrarían al equipo de tal misión? Científicos condenados a llevarla a cabo durante 30 o 40 años, jubilarse y heredársela a otros que serían los que recién ahí levantarían algún fruto (es otra cosa no vista y vital, nadie hace una sacrificada carrera por la ciencia para no ver un sólo resultado en su vida).
Mejor poner los billetones en un enorme telescopio espacial de 15 metros, por ejemplo, como tú has ya comentado que alguna vez planeó la NASA. El enorme y fabuloso resultado que daría ese bicho superaría todo lo conocido por el Hubble, sería motivo de disputa entre los científicos a ver quién estará a cargo de él, no tardaría más de 20 años (como mucho) en construirse y daría frutos en el mismo instante en que fuera lanzado.

wachovskywachovsky

pero ni con 1500 metros de diámetro se podrían ver planetas a 16 años luz orbitando una enana roja. Resultados para una vida eterna: recorrer esas 500 unidades astronómicas.

Francisco MFrancisco M

PArece que quieres sacar mi respuesta de contexto a una falacia “ad absurdum”.
NADIE dice que “se podrá ver exactamente lo mismo” que con este telescopio (que apenas aportará unos cuántos kilómetros de un único planeta o un par de ellos).
Lo que digo es REALISMO PURO: el telescopio de CIENCIA FICCIÓN éste no puede ser realizado por un tema más allá de los COSTOS, y es el TIEMPO; de llegar a una órbita tan lejana para la que estarán muertos, el público que lo paga, los políticos que quedan bien haciéndolos, y los científicos que lo operan… ninguno estará vivo entonces, lo cual hace que ni habrá un político con voluntad de hacerlo, ni un sacrificado por la ciencia cuya única misión será “ver que todo va bien” durante toda su vida para que otro cobre, ni público que no verá un sólo fruto de sus impuestos.
Contra ello, un telescopio REALISTA, que puede hacerse de acá a como muchísimo 20 años más. Que puede tener 15 metros -como ya planearon una vez en la NASA y era factible hace ya una década atrás (y hoy mucho más, sólo falta PRESUPUESTO). Y que tal telescopio, NO, no dará la imagen borrosa a escala de kilómetros de un par de planetas y ya… no, dará imágnes de miles de exoplanetas (con mucho menor definición), dará mapeos enormes con nuevos objetos (dentro del sistema solar, asteroides y demás, y fuera, viendo nuevas galaxias, estrellas y nebulosas) y pudiendo hacer estudios sobre materia y energía oscura. O sea, no siendo “monotemático”.
Para colmo el telescopio “realista”, además de aportar más resultados en más áreas (a cambio de no aportar UN resultado único en una sola, como es ver “la exotierra X” un poquito una vez), es más fácil de hacer, más fácil de lanzar, más barato, más rápido de producir, más rápido de poner a observar, con muchísimo menos riegso de accidente (no hay viaje alguno que atravesar durante décadas donde algo puede salir mal) y puede acumular DATA por millones y mandarla en el acto (con una conexión laser a tierra por ejemplo), mientras que la sonda esta mandaría sus informaciones MUY COMPRIMIDAS y con un tiempo de transimisión de meses (lo de Plutón y su sonda quedará como “veloz”).
Ahora dime que este telescopio ridículo propuesto es mejor que el que ya mismo podríamos estar haciendo -si el gobierno de USA y la NASA pusiera el dinero para ello (en vez de soñar con estas cosas y gastar tiempo en ellas)

wachovskywachovsky

ni a 13 años luz; ad absurdum varios: para que esta ahí el universo si no lo podemos recorrer? para qué resultados pronto si luego toda será olvido? para qué imágenes de planetas para una lejana descendencia que pensará igual que nosotros en cuánto a resultados concretos y pragmáticos?, y fundamentalmente para qué estos 542.000.000 de años que llevamos como organismos vivos en fanerozoico? Para Nada, entonces el dinero y la NASA al retrete y exijamos lo imposible: detener el envejecimiento celular mitosis tras mitosis cada 500 días y desparramémonos por el cosmos como todos los viridae et virinae juntos habidos y por haber, hagámoslo cuanto antes, pues el mundo inviluciona rápido entre 2010 y 2030.

CarlosCarlos

Me imagino a una civilización extraterrestre mirando nuestras ciudades y lellendo el periódico de un tipo sentado en un parque con esta tecnología bien utilizada

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