Usando el Sol como lente gravitatoria para ver la superficie de planetas extrasolares

Por Daniel Marín, el 10 abril, 2020. Categoría(s): Astronáutica • Astronomía ✎ 110

¿Te imaginas poder ver directamente la superficie de un exoplaneta del tamaño de la Tierra? No me refiero a verlo como un simple punto, sino a ser capaces de ver su superficie, incluyendo posibles océanos y continentes. Hoy por hoy esto es simple ciencia ficción, pero podría ser realidad en el futuro. Para lograr esta increíble resolución necesitaríamos un conjunto de telescopios espaciales trabajando mediante interferometría óptica, aunque hay otra opción ligeramente más sencilla que nos permitiría lograr los mismos resultados espectaculares con un telescopio espacial dotado de un espejo principal de solo un metro de diámetro. ¿El truco? Enviarlo al punto focal del Sol, es decir, la región donde la masa de nuestra estrella concentra los rayos de luz de astros lejanos, actuando como una lente de acuerdo con la relatividad general de Einstein.

Reconstrucción de cómo se vería una exotierra a casi cien años luz mediante un telescopio de un metro en el punto focal del Sol (Slava Turyshev).

Por supuesto, la idea no es nueva. En 1979 Von Russel Eshleman publicó el primer estudio en el que se detallaba una posible misión al punto focal del Sol. Posteriormente, el estadounidense Geoffrey Landis (NASA) y el italiano Claudio Maccone llevaron a cabo diversos estudios relacionados con este concepto. En concreto, Maccone lleva décadas proponiendo la misión FOCAL para utilizar el Sol como una gigantesca lente. El último proyecto de este tipo se denomina Misión Lente Gravitatoria Solar o SGL Mission (Solar Gravitational Lens Mission) y es obra de un equipo de investigadores dirigido por Slava Turyshev. Estos últimos años SGL fue seleccionada por el Instituto de Estudios Avanzados de la NASA (NIAC) como concepto merecedor de ser subvencionado para estudiar su viabilidad. Esto en sí mismo no nos dice mucho porque el NIAC se caracteriza por apoyar ideas y conceptos muy arriesgados en sus primeras fases (algunos casi son fringe science). Sin embargo, pocos proyectos del NIAC logran llegar a la tercera fase de financiación, algo que indica que, aunque el concepto sigue siendo muy complejo para la tecnología actual, quizás —solo quizás— podría llevarse a cabo en un futuro no muy lejano. Y, precisamente, la Misión SGL de Turyshev ha sido aprobada para pasar a la tercera fase.

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

La Misión SGL de Turyshev consiste en varias sondas dotadas de un telescopio con una óptica de un metro de diámetro con un coronógrafo —para ocultar el disco solar— que se lanzaría al punto focal. Desde allí, cada telescopio sería capaz de levantar un mapa de la superficie de un planeta como la Tierra situado a 98 años luz con una resolución de 25 kilómetros por píxel. O sea, más que suficiente para ver las nubes, continentes u océanos. Y, por supuesto, de sobra para llevar a cabo análisis espectroscópicos que revelen la composición atmosférica del planeta. Un telescopio convencional —o sea, de un solo espejo— que tuviese semejante resolución en el visible tendría que tener un espejo primario con un diámetro de 90 kilómetros (!!). Pero que nadie piense que basta «solamente» con mandar una sonda a una distancia tan enorme del Sol y, voilà, ya tenemos una imagen de una exotierra. La cosa es un poco más complicada.

Concepto de línea focal y formación de un anillo de Einstein (The Aerospace Corporation).

Antes de nada, conviene aclarar que, aunque parezca contradictorio, el «punto focal» del Sol no es un punto. Del mismo modo que en realidad tenemos un plano focal en el que se forma la imagen de una lente o un espejo, la imagen que genera el Sol se forma en una esfera alrededor del mismo. Eso sí, una esfera situada a 547,8 Unidades Astronómicas, es decir, a unos 82 mil millones de kilómetros. Para que nos hagamos una idea de la distancia, Neptuno está a unas 30 UA del Sol (4500 millones de kilómetros). En realidad, 547,8 UA es la distancia mínima. Más allá el Sol sigue actuando como una lente al concentrar los rayos de luz que pasan a mayor distancia de su superficie, por lo que se suele hablar de una «línea focal». Esto significa que tenemos que desplazarnos por una enorme esfera de casi 550 UA de radio para poder ver todo el cielo, una tarea que queda fuera del alcance de cualquier misión. Evidentemente, habría que seleccionar primero con mucho cuidado el exoplaneta a estudiar y, si queremos ver varios objetivos, deberán tener posiciones cercanas en la bóveda celeste.

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Anillo de Einstein de un hipotético exoplaneta visto desde el punto focal del Sol (Landis et al.).
Cada parte del disco de Einstein corresponde a una sección del planeta (Landis et al.).
Un anillo de Einstein real de la imagen de una galaxia lejana producido por la gravedad de una galaxia elíptica gigante (en el centro) (NASA).

Y, además, obtener una imagen nítida con este método no es sencillo. En condiciones ideales, lo que veríamos si estuviésemos situados en algún punto de la línea focal es un anillo de Einstein. En ese anillo estaría distribuida la imagen del exoplaneta, así que hay que reconstruirla. Además, la sonda debería moverse varios miles de kilómetros a lo largo de la esfera focal para poder detectar los diferentes píxeles de la superficie del planeta. Pero claro, vamos a tener mucho ruido en forma de luz procedente de la estrella del exoplaneta y, sobre todo, de la corona solar. Por eso es necesario observar un anillo determinado durante bastante tiempo para que la relación señal ruido sea lo suficientemente alta. La interferencia de las capas externas del Sol es tan importante que estudios anteriores, como el proyecto FOCAL de Maccone, concluyeron que el punto focal de nuestra estrella era inviable de cara a obtener una imagen nítida en luz visible y se recomendaba llevar a cabo las observaciones en radio (a mayor longitud de onda, más fácil es reconstruir la imagen). No obstante, el estudio de la segunda fase del NIAC de la Misión SGL de Turyshev afirma que, con un poco de ingenio y mucho dinero, es posible reconstruir la imagen en el visible de una exotierra situada a casi cien años luz tras seis meses de observación.

Reconstrucción de la imagen de un exoplaneta como la Tierra visto por un telescopio en el punto focal. A la izquierda la imagen original, en medio la imagen obtenida tras integrar el anillo de Einstein y a la derecha la imagen final (Turyshev et al.).
Concepto de ‘cadena de perlas’ de la misión del punto focal (Slava Turyshev).

Ahora bien, ¿cómo llegar hasta el punto focal del Sol? El equipo de Turyshev propone emplear una asistencia gravitatoria del Sol —a una distancia mínima de entre 15 y 38 millones de kilómetros— junto con velas solares para alcanzar una velocidad del orden de 150 kilómetros por segundo (como comparación, la Voyager 1 se desplaza a 17 km/s). Esto permitiría alcanzar el punto focal en menos de 25 años. Turyshev sugiere lanzar varios telescopios a bordo de minisatélites, entre diez y veinte, equipados con velas solares, con una masa inferior a los 100 kg. La idea es que cada uno de los veinte satélites se lance en intervalos de uno o pocos años, formando una «cadena de perlas». De esta manera, cada satélite se usaría para retransmitir la información del resto de unidades sin necesidad de que cada unidad disponga de una gran antena de comunicaciones. Cada satélite requeriría de un RTG para generar electricidad y las velas solares podrían seguir el diseño SunVane, consistente en varias velas rectangulares que sobresalen de un cuerpo central.

Concepto SunVane de minisatélite con velas solares (NASA).
Ejemplo de trayectoria de una vela solar para realizar una maniobra de asistencia gravitatoria propulsada con el Sol (maniobra de Oberth) y viajar hacia el punto focal (Slava Turyshev).

En cualquier caso, los detalles del diseño de estas sondas todavía es algo que queda muy lejos en el futuro. Los desafíos técnicos de esta misión son enormes, como también lo sería su coste. Todavía queda mucho trabajo para que este proyecto demuestre su viabilidad, aunque solo sea sobre el papel. Pero si alguna vez descubrimos una exotierra con biomarcadores en su atmósfera, esta misión nos daría la oportunidad de salir de dudas y saber si, efectivamente, estamos ante un mundo habitado o no.

Referencias:

  • https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2020_Phase_I_Phase_II/Direct_Multipixel_Imaging_and_Spectroscopy_of_an_Exoplanet
  • https://arxiv.org/pdf/2002.11871.pdf


110 Comentarios

    1. Aficionados! Un truquito para que eso no os pase es deslizar la pantalla con los dedos de la mano izquierda (y por el lado izquierdo de la pantalla obviamente)

      1. Efemérides!?… calentitas las efemérides!… efemérides!…
        *El 11 de abril de 1970, la NASA lanzó desde Cabo Kennedy, Florida, el Apolo 13, tercera misión de alunizaje tripulado de Estados Unidos. Dos días después del lanzamiento, un tanque de oxígeno en la nave espacial explotó, obligando a los astronautas a abandonar su misión y regresar a la Tierra en unas horas de caos e incertidumbre.
        El fracaso fue todo un éxito.
        * En 1905: Albert Einstein publica su Teoría de la relatividad.
        Dejo de yapa una frase suya:
        «El hombre que besa a una mujer bonita mientras conduce sin chocar es que no le está dando al beso la atención que merece».
        *El 12 de abril de 1961: el cosmonauta soviético Yuri Gagarin realiza un vuelo a bordo de la nave Vostok 1 convirtiéndose en el primer hombre lanzado al espacio.
        Para conmemorar este hito de la humanidad, en esta fecha se celebran:
        Día de la Cosmonáutica.
        Día Internacional de los Vuelos Espaciales Tripulados.
        La noche de Yuri.
        * 1981: el primer transbordador espacial estadounidense Columbia, tripulado por John W. Young y Robert Crippen, inicia con éxito su primer vuelo espacial.

  1. A raíz de esta entrada y a riesgo de que no tenga mucho sentido la pregunta, ¿se podría usar el mismo principio de lente con otro objeto celeste? ¿Por ejemplo la tierra o la luna? ¿hay algún estudio en ese sentido? en modo cuñado me atrevería a imaginar que sería menos complicado a nivel técnico aunque menos potente.

    1. Sería más complicado justamente por ser menos «potente»: objeto celeste menos masivo = menor efecto lente gravitatoria = menor curvatura de la luz = punto focal más distante.

      Además: menos «potente» = la relación señal vs ruido se va al traste = el asunto se vuelve no ya impracticable por limitaciones tecnológicas sino inviable por limitaciones físicas.

      Hay ideas de usar la Tierra como lente pero no mediante este mismo principio (lente gravitatorio) sino valiéndose de la refracción atmosférica:
      https://danielmarin.naukas.com/2019/08/05/el-terrascopio-usando-la-tierra-como-un-telescopio-gigante/

  2. ¿Es cosa mía o en realidad el sistema de comentarios de Naukas ha EMPEORADO en las últimas semanas en lo que a dispositivos móviles se refiere?

    A poco que deslizas el dedo para subir y bajar se «dispara» la opción de «Responder» y te deja donde le sale de los mismísimos…

        1. Supongo que habrá retrasos y se convertirá en el segundo semestre del año, luego pasará al cuarto trimestre y finalmente se lanzará en Febrero del 2021.

  3. Oyes, lo mismo tenemos suerte y ahí a esas distancias algún mini planeta. No sé si ayudaría con el frenado de las naves y para lograr un telescopio más permanente.
    Además, sería un incentivo adicional para el viaje.

    1. Esto párese salido de la novela de el problema de los tres cuerpos en que el protagonista de la novela usa la gravedad del sol para mandar un mensaje a los trisolares 🤓
      Ahora dejando el modo friki me parece que debemos ser realista con la situación económica actual y futura no veremos nada muy ambicioso en el ámbito espacial por un buen tiempo esperemos que la economía se recupere rápido para que Projetos como la estación espacial gaterwey salgan adelante necesitamos romper con el estanco en LEO 😔

  4. Una mision lo suficientemente dificil y con interesante premio como para intentarlo. Un preludio a los viajes interestelares. Si, ya se que 1 año luz contiene 66666,666 unidades astronomicas (mas o menos). Deberia estar equipada con una muy versatil IA.

  5. Esto le gustara a Martinez
    «Moscow (AFP) – The head of Russia’s space agency on Saturday accused Elon Musk’s SpaceX of predatory pricing for space launches, which is pushing Russia to cut its own prices.

    «Instead of honest competition on the market for space launches, they are lobbying for sanctions against us and use price dumping with impunity,» Roscosmos chief Dmitry Rogozin wrote on Twitter.»
    https://www.yahoo.com/news/russia-space-chief-spars-elon-musk-over-launch-172059681.html

    A llorar al llorodromo

      1. Podrían haber empezado con el dumping en el lanzamiento de astronautas. Es curioso que haya empresas que acusen de hacer dumping por su falta de innovación y/o abaratamiento de su producto/servicio. Si hubiera dumping sería en general, con todas las empresas de EEUU.
        Yo no llamaría dumping a ofrecer un servicio más barato que el tuyo porque es más barato de producir. Si ellos quieren competir en el mercado internacional, mediante subvenciones al lanzamiento, allá ellos : a ver cuanto les dura esa estrategia.
        En vez de quejarse, podrían empezar a realizar un cambio para adaptarse a los nuevos tiempos.

    1. Las pretensiones de Rogozin son que los lanzamientos comerciales les financien a ellos los lanzamientos gubernamentales.

      Habría que empezar por impedir el acceso al lanzamiento comercial a las empresas gubernamentales.

  6. Como os veo ociosos y dispersos os voy a recomendar una lectura y (sobre todo) un vídeo:

    ” Alguien ha hecho el vídeo perfecto para todos los que sufrimos intentando entender la Transformada de Fourier”
    https://www.xataka.com/otros/alguien-ha-hecho-video-perfecto-para-todos-que-sufrimos-intentando-entender-transformada-fourier-1

    Aunque el vídeo está en inglés, los subtítulos en español latino son excelentes (en español de España se cortan a la mitad) y creo que es todo un ejemplo de cómo enseñar de forma didáctica un tema complejo.

    1. Ufff, luego lo veré. Estoy siestoso.
      Las transformadas de Fourier también se utilizan para trasladar las franjas de interferometria en una imagen sintetizada, creo. A ver si me entero de algo.

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Por Daniel Marín, publicado el 10 abril, 2020
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