Observando la Tierra como si fuera un exoplaneta con DSCOVR

Por Daniel Marín, el 29 mayo, 2018. Categoría(s): Astronomía • Exoplanetas • NASA ✎ 40

El satélite DSCOVR de la NASA es una verdadera maravilla de nuestro tiempo que, desgraciadamente, pasa desapercibida para la mayor parte del público. Gracias a su épica cámara EPIC podemos ver imágenes del hemisferio iluminado de la Tierra desde 1,5 millones de kilómetros de distancia. Desde este punto aventajado —en realidad está en una órbita de halo alrededor del punto de Lagrange L1 del sistema Tierra-Sol (SEL-1)— somos capaces de contemplar nuestro planeta como si estuviéramos allí (también hay imágenes parecidas tomadas en el espectro visible por algunos satélites geoestacionarios, pero siempre muestran el mismo hemisferio). Pero además de regalarnos imágenes espectaculares, DSCOVR nos ofrece la posibilidad de estudiar cómo se comporta un planeta terrestre habitable —y habitado— desde la lejanía. O lo que es lo mismo, podemos usar la Tierra como si fuera un exoplaneta para que cuando encontremos un mundo similar al nuestro sepamos qué buscar.

La Tierra vista por DSCOVR el 27 de mayo (NASA/EPIC).
La Tierra vista por DSCOVR el 27 de mayo de 2018 (NASA/EPIC).

Por ahora no somos capaces de ver directamente planetas de tipo terrestre situados en su zona habitable —o sea, exotierras—, pero en el futuro podremos contemplar estos exoplanetas como píxeles independientes. ¿Qué conclusiones podemos sacar a partir de un único punto de luz? Pues muchas. Por ejemplo, su cobertura nubosa, el periodo de rotación y su composición, aunque sea de forma rudimentaria. Si empleamos los datos de DSCOVR y reducimos las imágenes a un solo punto, el siguiente paso es aplicar análisis de Fourier para descubrir patrones cíclicos. Lo primero que averiguamos es el periodo de rotación del planeta y el de traslación alrededor del Sol simplemente viendo los cambios recurrentes en la iluminación. Pero también se puede inferir que existen cambios periódicos provocados por las nubes, estaciones y las diferencias entre los océanos y los continentes. Obviamente en el caso de la Tierra las nubes están formadas por agua, pero usando esta técnica también se podrían detectar nubes de amoniaco o de metano, por ejemplo.

add
Patrones recurrentes de la Tierra a partir de observaciones de EPIC durante 27 meses (Jiang et al.).

Precisamente un grupo de investigadores liderado por Jonathan Jiang ha estudiado los datos de EPIC recogidos durante 27 meses para analizar nuestro mundo como si de un exoplaneta se tratase. La vegetación terrestre se detecta claramente a través de un aumento de brillo de la superficie en la longitud de onda de 7,8 micras (es el llamado «borde rojo»), de ahí que las observaciones en infrarrojo sean claves a la hora de estudiar un exoplaneta potencialmente habitable. Los espectros tomados en esta región del espectro también nos dan información sobre la presencia de compuestos relacionados con la vida —biomarcadores o biofirmas— como agua, dióxido de carbono, metano u oxígeno, pero en este caso se han usado las observaciones de EPIC desde el punto de vista fotométrico, es decir, se han estudiado las variaciones de brillo en distintas longitudes de onda y no se ha llevado a cabo un análisis de los espectros (algo más difícil de obtener).

asas
Variaciones en el brillo de la Tierra cada doce horas debido a la oposición Pacífico-Atlántico y Australia-América del Sur (Jiang et al.)

En el infrarrojo los mares y océano se ven oscuros comparados con las masas continentales, incluso si estas no están cubiertas por plantas dotadas de pigmentos similares a la clorofila. No obstante, debemos recordar que la cámara EPIC de DSCOVR solo trabaja en el visible e infrarrojo cercano, como es el caso de los telescopios terrestres, así que este estudio se ha centrado en esta parte del espectro. La Tierra aparece más brillante en las longitudes de onda de 443 y 551 nanómetros en las imágenes de la cámara EPIC, algo lógico porque coincide con la irradiancia máxima del Sol, lo que a su vez es debido a su tipo espectral. La luz solar reflejada por las nubes domina todas las longitudes de onda, mientras que los continentes se aprecian mejor en el rojo e infrarrojo, ya que no están afectados por la dispersión Rayleigh que da el característico color azulado al cielo y a los océanos. En el ultravioleta y en longitudes de onda más cortas (azul y violeta) el hemisferio sur de nuestro planeta es más brillante que el norte. Este efecto se debe a la contribución del casquete polar de la Antártida y a que la Tierra está ligeramente más cerca del Sol durante el verano austral.

asas
Análisis de Fourier de los datos de EPIC durante 27 meses en los que se ven patrones recurrentes, como es el periodo de rotación o traslación del planeta (Jiang et al.)

Analizando los 27 meses de datos de EPIC se ven claramente patrones que se repiten cada 24 horas y cada 365 días, revelando el periodo de rotación y traslación de nuestro planeta respectivamente. Puede que el periodo de traslación no sea tan interesante —no en vano es un dato que se puede determinar fácilmente al detectar un planeta extrasolar—, pero el hecho de que este periodo se traduzca en cambios visibles sobre la superficie del planeta es una señal de que las estaciones afectan a la superficie y delatan la presencia de una atmósfera y nubes, además de la existencia de casquetes polares. El año que tarda la Tierra en girar alrededor del Sol queda reflejado en el ciclo de las estaciones, así como los monzones, las tormentas tropicales y el aumento de visibilidad del casquete polar de la Antártida. En los datos también aparecen características que se repiten cada 12 y 6 horas que corresponden a patrones de nubes y continentes que se repiten diariamente a medida que rota el planeta. Por ejemplo, el Pacífico y el Atlántico se ven desde EPIC con una diferencia de aproximadamente 12 horas, el mismo periodo que separa a Australia y América del Sur. Otros patrones cíclicos de 90 y 180 días están relacionados con la órbita de halo del DSCOVR alrededor del punto L1, así que estas características estarían ausentes en los datos de un exoplaneta de verdad. En los datos de EPIC no se puede apreciar la presencia de la Luna, principalmente debido al poco campo de la cámara. Desde el lanzamiento de DSCOVR la Luna solo ha pasado dos veces por el disco de la Tierra, muy poco para permitir su detección. No obstante, un satélite tan grande como nuestra Luna sí se podría detectar a través de la sombra que proyecta sobre la superficie y su color más oscuro.

 (Jiang et al.).
Variaciones cíclicas que se pueden inferir de los datos de EPIC (Jiang et al.).

Es obvio que en el caso de un exoplaneta desconocido no podríamos saber a priori qué continentes, mares, casquetes polares o sistemas nubosos son los causantes de las variaciones cíclicas de su brillo, pero el ejemplo de DSCOVR nos muestra que estas relaciones existen. Por supuesto, lo ideal sería poder sustraer la contribución de la cobertura nubosa para levantar un mapa de los continentes, pero eso es extremadamente complejo y requeriría muchas horas de observación.

sas
Arriba, mapa unidimensional de la Tierra basado en la fotometría integrada de la Tierra vista por la sonda Deep Impact (EPOXI). Abajo, reconstrucción de los continentes terrestres usando los datos de una Tierra sin nubes (Cowan et al.).

Lo que está claro es que para poner en práctica estas conclusiones primero tenemos que ser capaces de ver un planeta como un punto separado de su estrella. Para ello necesitamos un telescopio descomunal —como los telescopios terrestres de la futura generación (TMT, E-ELT, etc.)— o un interferómetro espacial como las ya canceladas misiones TPF (Terrestrial Planet Finder) de la NASA o Darwin de la ESA. Con suerte el telescopio espacial James Webb podrá ver directamente planetas gigantes, aunque las exotierras quedarán fuera de su alcance (eso sí, el James Webb funcionando conjuntamente con un ocultador externo, denominado Starshade, sí que podría ver planetas rocosos directamente). Más pronto que tarde llegará el día en que podamos reconstruir la superficie de un exoplaneta similar a la Tierra a partir de un simple punto de luz. ¿No es fabuloso?

Referencias:



40 Comentarios

  1. «Gracias a su épica cámara EPIC»
    LOL.
    Gran artículo, como siempre. Misiones como DSCOVR me fascinan, aunque no sean tan impresionantes como las misiones interplanetarias o de espacio profundo. Igual se puede hacer buena ciencia con el cacharro.
    Es curioso que Trump aún no haya cancelado esta misión.

  2. Uaauu!!! Es fascinante ver la tierra desde esa distancia. Me han encantado las fotos de los tránsitos lunares! A la vez, son inquietantes las imágenes de los eclipses que, por ejemplo una del 21 de agosto del 2017 que capturaron sobre América del norte.
    Gracias por abrirme los ojos a esto!

  3. Muy interesante… ahora, no es posible tratar de aplicar este tipo de analisis sobre Marte? imagino que la falta de oceanos podria hacer mas complejo el analisis y el tipo de conclusiones posibles. Esta potencial falta de contrastes no seria similar a la falta de contraste imaginable al mirar a Venus con este tipo de tecnica?

    1. Creo que es una buena idea depurar el modelo utilizando Marte y otros planetas o satélites conocidos. Pero estudiar bien la Tierra es lo primero para buscar planetas semejantes, con agua líquida, etc

    1. Con un análisis de Fourier detectas todos los patrones cíclicos que pueda haber. Eso incluye sobre todo el periodo orbital y el de rotación pero también se puede inferir algo (muy rudimentariamente) de la superficie, la cobertura nubosa, etc. Que en este caso se haya hecho mediante el hemisferio iluminado de la Tierra no lo convierte en imprescindible.

  4. ¿Cual es la longitud mínima (D) de un telescopio para caracterizar los exoplanetas y ver esas zonas continentales frente a las oceánicas, etc.?
    Solución: en la pg. 10 del artículo original la fórmula (4) da la igualdad 2R/d = 1.2 L/D, con L esos 0.6 micrómetros, R el radio de la aproximado tierra y d la distancia el exoplaneta: por ejemplo tomamos la del KOI5737.01: 1833 años luz. Usando:
    1.2*0.6*10^-6/2/6400000*9.46*10^12*1833, salen unos tamaños mínimos de telescopios de 975.4 km.
    Como pone en el paper, se necesita un «telescope array». Pero uno que abarque esos 1000 kilómetros. O sea hay que construir una red de telescopios lineal desde Madrid a París y luego rellenar para hacer la red de telescopios en superficie y cubrir ese millón de kilómetros cuadrados (una superficie como la de España y Francia toda llena de telescopios). Sobre esto, ¿a alguien se le ocurre algo?.

    1. ¡Te has ido a un planeta un poco lejano! En cualquier caso, hace falta que los telescopios estén separados 1000 km o más por el límite de difracción, pero la superficie total no tiene que ser ni por asomo de 1.000.000 de km2. Creo que serviría con una docena de telescopios de 40 metros para resolver los continentes. El problema (a parte de la atmósfera) es que no somos capaces de combinar las imágenes de telescopios ópticos en distancias tan grandes. Sin embargo con radiofrecuencias sí que es posible. De ahí surge el proyecto Square Kilometer Array.

      Con telescopios espaciales teóricamente se podría hacer un Array de telescopios separados 1.000.000 de km que combinaran sus haces a través de espejos con resoluciones inimaginables… Pero el coste creo que dejaría en calderilla al proyecto SLS+Orion.

      1. Amago, esto que dices: «creo que serviría con una docena de telescopios de 40 metros para resolver los continentes», ¿puedes explicarlo más?. La wiki dice que el Square kilometer array tendrá 3000 telescopios de 15 m de diámetro ocupando un km^2.
        Por otro lado, la pega que le veo a lanzar una constelación de telescopios espaciales (en plan telescope array) situados en una órbita como la que tendrá LISA (pero separados a pocos centenares de kilómetros de distancia), es que: ¿cómo apuntas a un planeta durante 3 años para averiguar sus cambios atmosféricos?. (Notad que en el espacio toda esa constelación estaría rotando todo el rato).

        1. Antonio, en un telescopio una cosa es el poder de resolución y otra es la capacidad colectora. El poder de resolución lo dan las dimensiones lineales del telescopio y permite percibir los detalles. La capacidad colectora lo da la superficie colectora y permite recibir suficiente luz en los detectores. En el caso de planetas iluminados por su estrella, se trata de objetos tan luminosos que la capacidad colectora pasa a un segundo plano. Por ello se podría hacer un telescopio interferométrico virtual de 1000 km de apertura usando tan sólo dos telescopios casi de cualquier tamaño separados dicha distancia y enlazados. El problema es que con la actual tecnología no es posible hacer trabajar telescopios interferométricos en longitudes de onda visibles en semejantes distancias (el VLT tiene los telescopios separados «sólo» unos 100 metros por lo que su poder de resolución viene a ser similar al de un telescopio que tuviera dicho diámetro). https://es.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Telescope
          Esto no ocurre así en longitudes de onda de radio en las cuales es más sencillo hacerlos trabajar en modo interferométrico. Incluso es posible hacer trabajar a un mismo radiotelescopio interfiriendo consigo mismo, moviéndolo o aprovechando la rotación de la tierra y tomando dos imágenes separadas un cierto tiempo.
          https://en.wikipedia.org/wiki/Aperture_synthesis

          Saludos.

          1. Enrique, si no eres amago, ¿por qué te metes (sin aportar nada más que malinterpretando lo que cualquiera puede leer en la wiki) en una conversación ajena?. ¿A que presento una moción de censura contra los que se malmeten en conversaciones ajenas?.
            Y si fueras amago, ¿por qué no aclaras lo que dijiste (eso de los 12 telescopios de 40 m)?.

          2. Busca información sobre NPOI no tengo tiempo ni ganas ni conocimiento para explicar bien los detalles.

        2. Amago, al mencionar el NPOI supongo que te refieres al Navy Precision Optical Interferometer; que es un interferómetro astronómico en forma de «Y», con 12 imaging array siderostat stations separados a varias decenas de metros, cada una entiendo que con una apertura de 1.8 m
          Supongo que tus 12 telescopios, los espaciarías a unos 100 km, 270 km, 450 km, y 650 km en cada ramal de esa «Y», poniendo en cada nodo tus telescopios con apertura de 40 m.
          Tened presente que mediante este array, queremos tener resolución (por esa 1.2 L/D) de amplitudes angulares de unos 7*10^-13 radianes (queríamos detectar exoplanetas, a distancias menores que 1800 años luz, con radio similar al terrestre y con temperatura superficial como para contener agua líquida en la superficie). ¿Habrá hecho amago un buen diseño?.

      1. Hombre, teniendo en cuenta la ausencia casi total de sismicidad en la Luna, su larguísimo periodo de rotación, la falta de atmósfera, el encubrimiento electromagnético que hace de la Tierra (caso de ubicar el telescopio en la cara oculta) y la bajísima gravedad (que no deformaría la lente y permitiría una estructura mucho más ligera que en la Tierra), unido a la capacidad (teórica) de construirlo in situ… pues estamos hablando de poder hacer un array en «Y» de miles de km de longitud con espejos de decenas de metros… O sea, el mayor interferómetro de la historia, que nos brindaría imagenes y datos inimaginables.

        Incluso, dada la baja gravedad, los telescopios podrían ser híbridos, con un espejo reflectante de, por ejemplo, 20/25 metros de diámetro y, a continuación, siguiendo la curvatura, convertirse en reflectores de radioondas de hasta 100 metros (o más)… con lo que tendrías interferometría de radio y microondas, e interferometría óptica (ya fuese en IR, en visible o en UV, según las especificaciones del espejo y los detectores).

      2. ¿Pequeño? 50m para un telescopio óptico es una bestialidad 🙂

        El más grande que se está contruyendo tendrá 39,3m
        https://en.wikipedia.org/wiki/Extremely_Large_Telescope

        10m de diferencia puede no parecer mucho, hasta que uno cae en la cuenta de que 10m es lo más grande actualmente en uso:
        https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_largest_optical_reflecting_telescopes

        Lo que comentas fue noticia en 2008:
        https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/09jul_moonscope

        Aquí la propuesta de diseño:
        http://lunar.colorado.edu/publicfiles/tiny/files/lsf2011_hts_bearing_one_page_v9_aligned_39inch.pdf

        Parece que Peter Chen y colegas siguen en ello en 2018:
        http://adsabs.harvard.edu/abs/2018AAS…23136107C
        Digo «parece» porque sólo he podido encontrar el abstract. Si alguien puede encontrar el paper…

        ¿Habrá a corto o mediano plazo misiones lunares capaces de llevar a cabo el sueño de Chen? Quizá lo más prudente sea apostar por alternativas:
        https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2018_Phase_I_Phase_II/Modular_Active_Self-Assembling_Space_Telescope_Swarms

        Saludos.

      3. Este comentario es continuación de otro mío que ahora mismo, mientras escribo estas líneas, está pendiente de moderación por tener varios links.

        Uno de los links quedó «cortado» debido a que el sistema de comentarios reemplaza los «3 puntos suspensivos» (2018AAS…23136107C) por 1 único caracter «…»

        Para «des-cortarlo» hay que proceder a la inversa: copiar toda la línea del link (incluyendo obviamente el segmento «no rojo» de la línea, en este caso: …23136107C), pegarla en la barra URL del navegador, reemplazar el caracter «…» por 3 puntos reales (2018AAS…23136107C), y pulsar Enter.

        Primera vez que me pasa, pero ya le había pasado a otros comentaristas por ejemplo aquí:
        https://danielmarin.naukas.com/2018/04/22/el-calor-de-los-volcanes-de-io/#comment-441901

        ¡Estáis advertidos! 🙂

        La próxima vez que me enfrente a otro de esos condenados links con «puntos suspensivos» intentaré postearlo no como «texto» sino mediante a href (insertado de ese modo no debería sufrir alteraciones), pero ahora mismo no tengo ganas de hacer experimentos 🙂

        Saludos.

    2. Gracias Daniel por este interesante artículo.
      Antonio apunta a la necesidad de un telescopio de 1000km para visualizar los detalles de un planeta a 1800 años luz. Estaríamos entonces hablando de que para ver un planeta en una estrella a 1 año luz, necesitaríamos un telescopio de 500m? Se podría hacer un artículo sobre este tema? Desconozco lo que puede llegar a ver el James Webb, o cuan grande debería ser el telescopio para ver un exoplaneta a una resolución de 10 píxeles, por ejemplo. Supongo que poner una calculadora para vagos, ya sería demasiado, en el que pudieras poner la distancia de la estrella, el radio del planeta, y la resolución y te dijera el tamaño necesario del telescopio. No hay mucha información de este tipo de datos, en Internet. No sé cómo encontrar la información. Tampoco quiero hacerte trabajar demasiado, por algo que al final, quizás para otras personas podría no tener ningún interés.

  5. Gracias por responder a la pregunta que quería plantear de la longitud de un telescopio para captar detalles de un exoplaneta. Y es triste darse cuenta de que el James Webb es muy insuficiente

  6. real mente impresionante me pregunto si en una década podemos tener el PLATO y TESS ,seguramente descubriremos mundos muy fascinantes y se acercara la oportunidad de descubrir vida alienígena

  7. Sí, es fascinante lo que se puede averiguar y en particular lo que si todo va bien lo que el futuro nos tiene reservado, sobre todo para las estrellas cercanas.

  8. que frustrarte seria encontrar un mundo cercano habitable o con vida a solo unos cuantos anos luz de distancia y saber que a pesar de su relativa cercanía no podremos mandar nada esta aya en un par de siglos si acaso.

  9. Ola, espectaculares imágenes de la Tierra. Bellísima y no siempre bien tratada por parte de una de sus especies …

    Siempre pensamos en exoplanetas que puedan ser parecidos al nuestro (con atmósfera, agua en estado líquido y presencia de biomarcadores), sin embargo no deberíamos relajar la atención sobre exolunas del tamaño de la Tierra que podrían orbitar planetas estilo Júpiter (gigantes o super gigantes gaseosos) y que, contando con el «amparo» magnético de éste, podrían favorecer condiciones aptas para la vida. Tendrían periodos de rotación y traslación completamente distintos a nuestro planeta y unas interacciones con el planeta gigante que imaginamos viendo los sistemas de Júpiter o Saturno, pero no sé si desde el punto de vista observacional se complicarían mucho las cosas toda vez que si ya es complicado detectar exoplanetas rotando alrededor de otras estrellas, más será descubrir lunas alrededor de estos.

    1. ¿Te imaginas pergueñar un calendario para una exoluna de tipo terrestre, orbitando a un superjoviano, con rotación cautiva y orbitando a una de las componentes de una binaria, con la adecuada distancia entre ambas estrellas? ¡¡Para flipar!!

  10. Un magnífico estudio, que además aprovecha muy bien la cámara EPIC. Parece mentira que en un principio fuera una zumbada de Al Gore.

  11. Daniel, muy interesante ver la tierra desde la óptica de un extraterrestre.
    Me encantaría leer un post sobre los telescopios terrestres que estan siendo construidos y los más importantes ya en funcionamiento. ¿Podremos ver exoplanetas directamente o explorar la superficie de los planetas/lunas del sistema solar?

  12. Off Topic:
    En un reciente congreso/simposio espacial el dr.Malito repitio sus intenciones de ir a la Luna con su New Glenn, que le gustariala colaboracion de la NASA, pero que si tal asociacion no se concretara igual el se empeñaria en llegar al satelite. Dijo tambien que le gustaria la colaboracion de otras empresas o agencias estatales. Parece que estuvo hablando con la agencia australiana. Dijo que pronto anunciara novedades. Tambien menciono otro cohete, el New Armstrong pero sin mas detalles. Continuara adelante con el New Sheppard, sacando lecciones drl motor BE-3, el mas srguro motor de oxigeno liquido, dijo, futura 2da etapa del New Glenn. Esto encabeza el sitio Spacenews.com. En otra nota recueente de spacenews aparecio que dentro de los proximos 12 meses habria vuelos suborbitales o de BO o del SpaceShipTwo.
    Bien!

  13. Sorprende cómo las series de Fourier sirven tanto para calcular el valor eficaz de una onda de tensión recortada por diodos; como para analizar la luz. Es una herramienta matemática muy potente, sin duda. Ya forma parte del patrimonio intelectual de la humanidad.

    PD. Me gusta la idea de una minimalista aplicación web para calcular las dimensiones del telescopio necesario para observar exoplanetas con X resolución. Y por pedir… ¿por qué no una simulación 3D de la Vía Láctea con enciclopedia integrada?

    1. Hola:

      No lo veo necesario, ten en cuenta que al hacer las fotos desde la órbita de halo, las hace desde puntos de vista ligeramente diferentes, así que cubre más del 50% de la tierra. Supongo que esa diferencia de ángulo le permite discernir detalles norte/sur, al igual que la rotación de la Tierra le permite discernir detalles este/oeste

      Saludos

  14. No se me había ocurrido este uso para el «Goresat». Pensaba que era poco útil, pero leyendo este artículo he cambiado de opinión a pesar de que su promotor tenía fines políticos y de autopropaganda. Por suerte finalmente le incrementaros las tareas y creo que hace un buen servicio sondeando el clima espacial.

    Creo que lo inteligente sería aprovecharlo ya que está allá…

    Saludos.

Deja un comentario

Por Daniel Marín, publicado el 29 mayo, 2018
Categoría(s): Astronomía • Exoplanetas • NASA