En el camino hacia la detección de vida extraterrestre

La máscara del plano focal del Instrumento Coronógrafo del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA. Cada sección circular contiene múltiples “máscaras”: obstrucciones opacas cuidadosamente diseñadas para bloquear la luz de las estrellas. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech

A principios de agosto, científicos e ingenieros se reunieron en un pequeño auditorio de Caltech para discutir cómo construir el primer telescopio espacial capaz de detectar vida extraterrestre en planetas como la Tierra.

El concepto de misión propuesto, el Observatorio de Mundos Habitables (HWO), sería el próximo observatorio astrofísico potente después del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA. Podría estudiar estrellas, galaxias y una serie de otros objetos cósmicos, incluidos planetas fuera de nuestro sistema solar, conocidos como exoplanetas, y potencialmente incluso vida extraterrestre.

Aunque encontrar vida extraterrestre en exoplanetas puede ser una posibilidad remota, el taller de Caltech tuvo como objetivo evaluar el estado de la tecnología que HWO necesita buscar vida en otro lugar.

«Antes de que podamos diseñar la misión, necesitamos desarrollar las tecnologías clave tanto como sea posible», dice Dimitri Mawetmiembro de la Grupo de Evaluación Técnica (TAG) para HWOprofesor de astronomía David Morrisroe y científico investigador senior en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), que Caltech administra para la NASA.

“Estamos en una fase de maduración tecnológica. La idea es seguir avanzando en las tecnologías que permitirán al Observatorio de los Mundos Habitables ofrecer su ciencia revolucionaria y al mismo tiempo minimizar los riesgos de sobrecostos en el futuro”.

Propuesto por primera vez como parte de la Academia Nacional de Ciencias. Encuesta Decenal sobre Astronomía y Astrofísica 2020 (Astro2020), una hoja de ruta de 10 años que describe los objetivos para la comunidad astronómica, HWO se lanzaría a finales de la década de 2030 o principios de la de 2040. El tiempo de observación de la misión se dividiría entre astrofísica general y estudios de exoplanetas.

Sara Seager del MIT dio una charla en el taller de Caltech titulada «Hacia la supresión de la luz estelar para el Observatorio de Mundos Habitables». Crédito de la imagen: Caltech

«El Decadal Survey recomendó esta misión como su máxima prioridad debido a las capacidades transformadoras que tendría para la astrofísica, junto con su capacidad para comprender sistemas solares completos fuera del nuestro», dice Fiona Harrisonuno de los dos presidentes del informe decenal Astro2020 y profesor Harold A. Rosen de Física en Caltech, así como presidente de liderazgo Kent y Joyce Kresa de la División de Física, Matemáticas y Astronomía.

La capacidad del telescopio espacial para caracterizar las atmósferas de exoplanetas y, por tanto, buscar señales que puedan indicar vida extraterrestre, depende de tecnologías que bloqueen el resplandor de una estrella distante.

Hay dos formas principales de bloquear la luz de la estrella: una pequeña máscara interna del telescopio, conocida como coronógrafo, y una gran máscara externa al telescopio, conocida como starshade. En el espacio, las sombras estelares se desplegarían en una estructura gigante con forma de girasol, como se ve en esta animación.

Concepto artístico de un planeta similar a la Tierra en la zona habitable de su estrella. El nuevo observatorio buscará vida extraterrestre. Crédito de la imagen: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

En ambos casos, la luz de las estrellas se bloquea de modo que se revela la tenue luz estelar reflejada en un planeta cercano. El proceso es similar a levantar la mano para bloquear el sol mientras tomas una foto de tus amigos sonrientes.

Al capturar directamente la luz de un planeta, los investigadores pueden utilizar otros instrumentos llamados espectrómetros para examinar esa luz en busca de firmas químicas. Si hay vida presente en un planeta que orbita una estrella distante, entonces las inhalaciones y exhalaciones colectivas de esa vida podrían ser detectables en forma de firmas biológicas.

«Estimamos que sólo en nuestra galaxia hay varios miles de millones de planetas del tamaño de la Tierra en la zona habitable», dice Nick Siegler, tecnólogo jefe del Programa de Exploración de Exoplanetas de la NASA en el JPL. La zona habitable es la región alrededor de una estrella donde las temperaturas son adecuadas para el agua líquida.

“Queremos sondear las atmósferas de estos exoplanetas para buscar oxígeno, metano, vapor de agua y otras sustancias químicas que puedan indicar la presencia de vida. No vamos a ver poco verde. [alien] hombres, sino más bien firmas espectrales de estas sustancias químicas clave, o lo que llamamos biofirmas”.

Según Siegler, la NASA ha decidido centrarse en la ruta del coronógrafo para el concepto HWO, aprovechando las recientes inversiones en Telescopio espacial romano Nancy Grace de la NASA, que utilizará un coronógrafo avanzado para obtener imágenes de exoplanetas gigantes gaseosos. (El IPAC de Caltech es el hogar del Centro de apoyo a la ciencia romana).

Hoy en día, los coronógrafos se utilizan en varios otros telescopios, incluidos el JWST en órbita, el Hubble y los observatorios terrestres.

Mawet ha desarrollado coronógrafos para su uso en instrumentos en el Observatorio WM Keck en la cima de Maunakea, una montaña en la Isla Grande de Hawai’i.

La versión más reciente, conocida como coronógrafo de vórtice, fue inventada por Mawet y reside dentro del Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), un instrumento que permite a los investigadores obtener imágenes y estudiar directamente las emisiones térmicas de exoplanetas gigantes gaseosos jóvenes y cálidos.

El coronógrafo anula la luz de una estrella hasta el punto que el instrumento puede tomar fotografías de planetas que son aproximadamente un millón de veces más débiles que sus estrellas. Esto permite a los investigadores caracterizar en detalle las atmósferas, órbitas y giros de exoplanetas jóvenes gigantes gaseosos, lo que ayuda a responder preguntas sobre la formación y evolución de otros sistemas solares.

Pero obtener imágenes directas de un planeta Tierra gemelo, donde es más probable que florezca la vida tal como la conocemos, requerirá un refinamiento masivo de las tecnologías actuales. Los planetas como la Tierra, que orbitan alrededor de estrellas similares al Sol en la zona habitable, se pierden fácilmente en el resplandor de sus estrellas.

Nuestro propio sol, por ejemplo, eclipsa la luz de la Tierra 10 mil millones de veces. Para que un coronógrafo alcance este nivel de supresión de la luz estelar, los investigadores tendrán que llevar sus tecnologías al límite.

«A medida que nos acercamos cada vez más a este nivel requerido de supresión de la luz estelar, los desafíos se vuelven exponencialmente más difíciles», dice Mawet.

Los participantes del taller de Caltech discutieron una técnica de coronógrafo que involucra controlando las ondas de luz con un espejo deformable ultrapreciso en el interior del instrumento.

Si bien los coronógrafos pueden bloquear gran parte de la luz de una estrella, la luz dispersa aún puede llegar a la imagen final, apareciendo como motas. Utilizando miles de actuadores que empujan y tiran de la superficie reflectante del espejo deformable, los investigadores pueden cancelar las manchas de luz estelar residual.

El próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman será el primero en utilizar este tipo de coronógrafo, al que se denomina “activo” porque su espejo se deformará activamente. Después de más pruebas en el JPL, el coronógrafo romano finalmente se integrará en el telescopio final del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA y se lanzará al espacio a más tardar en 2027.

El Instrumento Coronagráfico Romano permitirá a los astrónomos obtener imágenes de exoplanetas posiblemente hasta mil millones de veces más débiles que sus estrellas. Esto incluye gigantes gaseosos maduros y jóvenes, así como discos de escombros que quedaron del proceso de formación de planetas.

«El instrumento coronógrafo romano es el siguiente paso de la NASA en el camino hacia la búsqueda de vida fuera de nuestro sistema solar», dice vanessa baileyel tecnólogo de instrumentos del coronógrafo de Roman en JPL.

“La brecha de rendimiento entre los telescopios actuales y el Observatorio de los Mundos Habitables es demasiado grande para salvarla de una vez. El propósito del Instrumento Coronógrafo Romano es ser ese trampolín intermedio. Demostrará varias de las tecnologías necesarias, incluidas máscaras coronográficas y espejos deformables, a niveles de rendimiento nunca antes alcanzados fuera del laboratorio”.

La búsqueda de imágenes directas de un gemelo de la Tierra alrededor de una estrella similar al Sol significará impulsar aún más la tecnología detrás del coronógrafo de Roman.

«Necesitamos poder deformar los espejos con una precisión de un picómetro», explica Mawet.

“Tendremos que suprimir la luz de las estrellas en otro factor de aproximadamente 100 en comparación con el coronógrafo de Roman. El taller nos ayudó a orientarnos para descubrir dónde están las brechas en nuestra tecnología y dónde debemos desarrollar más en la próxima década”.

Otros temas de conversación en el taller incluyeron el mejor tipo de espejo primario para usar con el coronógrafo, revestimientos de espejos, cómo lidiar con los daños a los espejos causados ​​por micrometeoroides, tecnologías de espejos deformables, así como detectores y herramientas avanzadas para modelado y diseño integrados.

Los ingenieros también proporcionaron una actualización del estado del starshade y su preparación tecnológica.

Mientras tanto, a medida que la tecnología avanza, otros científicos tienen sus ojos puestos en las estrellas en busca de planetas similares a la Tierra y posiblemente de vida extraterrestre que el HWO podría fotografiar.

Más que 5.500 exoplanetas Se han descubierto hasta ahora, pero ninguno de ellos es verdaderamente parecido a la Tierra. Herramientas de búsqueda de planetas, como el nuevo proyecto liderado por Caltech Buscador de planetas Keck (KPF) en el Observatorio Keck, están mejor equipados para encontrar planetas buscando los tirones que ejercen sobre sus estrellas mientras orbitan alrededor.

Los planetas más pesados ​​ejercen un mayor tirón, al igual que los planetas que orbitan más cerca de sus estrellas. KPF fue diseñado para encontrar planetas del tamaño de la Tierra en las zonas habitables de pequeñas estrellas rojas (las zonas habitables de las estrellas rojas están más cerca). Con mejoras adicionales en los próximos años, KPF podría detectar gemelos terrestres.

Para cuando HWO se lance a finales de la década de 2030 o principios de la de 2040, los científicos esperan tener un catálogo de al menos 25 planetas similares a la Tierra para explorar.

A pesar del largo camino por recorrer, los científicos del taller discutieron con entusiasmo estos desafíos con sus colegas que habían viajado a Pasadena desde todo el país. La directora del JPL, Laurie Leshin (MS ’89, PhD ’95), dio una charla de ánimo al comienzo de la reunión.

«Es un desafío emocionante y desalentador», dijo. “Pero para eso vivimos todos. No lo hacemos solos. Lo hacemos en colaboración”.

Escrito por Whitney Clavin

Fuente: Caltech