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| Esta ilustración muestra el concepto de microlente gravitacional. Cuando una estrella en el cielo pasa casi frente a otra, puede captar la luz de la estrella fuente de fondo. Si la estrella más cercana alberga un sistema planetario, los planetas también pueden actuar como lentes, cada uno produciendo una desviación corta en el brillo de la fuente. Crédito: Laboratorio de Imagen Conceptual del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. |
El Telescopio de Estudio Infrarrojo de Campo Amplio de la NASA (WFIRST) buscará planetas fuera de nuestro sistema solar hacia el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, donde se encuentran la mayoría de las estrellas. Estudiar las propiedades de los mundos de exoplanetas nos ayudará a comprender cómo son los sistemas planetarios en toda la galaxia y cómo se forman y evolucionan los planetas.
La combinación de los hallazgos de WFIRST con los resultados de las misiones Kepler de la NASA y el satélite de estudio Exoplanet en tránsito (TESS) completará el primer censo planetario que es sensible a una amplia gama de masas y órbitas planetarias, acercándonos un paso más para descubrir mundos terrestres habitables más allá de nuestro propio.
Hasta la fecha, los astrónomos han encontrado la mayoría de los planetas cuando pasan frente a su estrella anfitriona en eventos llamados tránsitos, que atenúan temporalmente la luz de la estrella. Los datos de WFIRST también pueden detectar tránsitos, pero la misión observará principalmente el efecto contrario: pequeñas oleadas de resplandor producidas por un fenómeno de doblez de luz llamado microlente. Estos eventos son mucho menos comunes que los tránsitos porque dependen de la alineación casual de dos estrellas muy separadas y no relacionadas que se desplazan por el espacio.
"Las señales de microlente de planetas pequeños son raras y breves, pero son más fuertes que las señales de otros métodos", dijo David Bennett, quien dirige el grupo de microlente gravitacional en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Dado que es un evento uno en un millón, la clave para que WFIRST encuentre planetas de baja masa es buscar cientos de millones de estrellas".
Además, la microlente es mejor para encontrar planetas dentro y más allá de la zona habitable: las distancias orbitales donde los planetas pueden tener agua líquida en sus superficies.
Cada vez que dos estrellas se alinean estrechamente desde nuestro punto de vista, la luz de las curvas de estrellas más distantes a medida que viaja a través del espacio-tiempo deformado de la estrella más cercana. Este fenómeno, una de las predicciones de la teoría general de la relatividad de Einstein, fue confirmado por el físico británico Sir Arthur Eddington durante un eclipse solar total en 1919. Si la alineación es especialmente cercana, la estrella más cercana actúa como una lente cósmica natural, enfocando y intensificando la luz de la estrella de fondo.
Los planetas que orbitan alrededor de la estrella en primer plano también pueden modificar la luz con lente, actuando como sus propias lentes diminutas. La distorsión que crean permite a los astrónomos medir la masa y la distancia del planeta desde su estrella anfitriona. Así es como WFIRST usará microlente para descubrir nuevos mundos.
Hasta ahora se han descubierto más de 4.000 exoplanetas confirmados, pero solo se encontraron 86 mediante microlente. Las técnicas comúnmente utilizadas para encontrar otros mundos están sesgadas hacia los planetas que tienden a ser muy diferentes de los de nuestro sistema solar. El método de tránsito, por ejemplo, es el mejor para encontrar planetas similares a Neptuno que tienen órbitas mucho más pequeñas que las de Mercurio. Para un sistema solar como el nuestro, los estudios de tránsito podrían pasar por alto todos los planetas.
La encuesta de microlente de WFIRST nos ayudará a encontrar análogos a todos los planetas de nuestro sistema solar, excepto Mercurio, cuya pequeña órbita y baja masa se combinan para ponerla fuera del alcance de la misión. WFIRST encontrará planetas que son la masa de la Tierra e incluso más pequeños, tal vez incluso lunas grandes, como la luna de Júpiter Ganímedes.
WFIRST también encontrará planetas en otras categorías poco estudiadas. La microlente es más adecuada para encontrar mundos desde la zona habitable de su estrella y más allá. Esto incluye gigantes de hielo, como Urano y Neptuno en nuestro sistema solar, e incluso planetas rebeldes, mundos que deambulan libremente por la galaxia sin unirse a ninguna estrella.
Si bien los gigantes de hielo son una minoría en nuestro sistema solar, un estudio de 2016 indicó que pueden ser el tipo de planeta más común en toda la galaxia. WFIRST pondrá a prueba esa teoría y nos ayudará a comprender mejor qué características planetarias son más frecuentes.
Como WFIRST es un telescopio infrarrojo, verá a través de las nubes de polvo que impiden que otros telescopios estudien planetas en la concurrida región central de nuestra galaxia. La mayoría de las observaciones de microlente basadas en tierra hasta la fecha han sido en luz visible, lo que hace que el centro de la galaxia sea un territorio exoplaneta en gran parte inexplorado. Una encuesta de microlente realizada desde 2015 utilizando el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido (UKIRT) en Hawai está allanando el camino para el censo de exoplanetas de WFIRST al mapear la región.
La encuesta UKIRT está proporcionando las primeras mediciones de la tasa de eventos de microlente hacia el núcleo de la galaxia, donde las estrellas están más densamente concentradas. Los resultados ayudarán a los astrónomos a seleccionar la estrategia de observación final para el esfuerzo de microlente de WFIRST.
El objetivo más reciente del equipo UKIRT es detectar eventos de microlente utilizando el aprendizaje automático, lo que será vital para WFIRST. La misión producirá una cantidad tan grande de datos que no será práctico peinarlos a simple vista. Agilizar la búsqueda requerirá procesos automatizados.
Los resultados adicionales de UKIRT apuntan a una estrategia de observación que revelará la mayor cantidad posible de eventos de microlente mientras evita las nubes de polvo más gruesas que pueden bloquear incluso la luz infrarroja.
"Nuestra encuesta actual con UKIRT está sentando las bases para que WFIRST pueda implementar la primera encuesta de microlente dedicada basada en el espacio", dijo Savannah Jacklin, astrónoma de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee, que ha dirigido varios estudios de UKIRT. "Las misiones previas de exoplanetas ampliaron nuestro conocimiento de los sistemas planetarios, y WFIRST nos acercará un paso gigante para comprender realmente cómo los planetas, particularmente aquellos dentro de las zonas habitables de sus estrellas anfitrionas, se forman y evolucionan".
La combinación de los hallazgos de WFIRST con los resultados de las misiones Kepler de la NASA y el satélite de estudio Exoplanet en tránsito (TESS) completará el primer censo planetario que es sensible a una amplia gama de masas y órbitas planetarias, acercándonos un paso más para descubrir mundos terrestres habitables más allá de nuestro propio.
Hasta la fecha, los astrónomos han encontrado la mayoría de los planetas cuando pasan frente a su estrella anfitriona en eventos llamados tránsitos, que atenúan temporalmente la luz de la estrella. Los datos de WFIRST también pueden detectar tránsitos, pero la misión observará principalmente el efecto contrario: pequeñas oleadas de resplandor producidas por un fenómeno de doblez de luz llamado microlente. Estos eventos son mucho menos comunes que los tránsitos porque dependen de la alineación casual de dos estrellas muy separadas y no relacionadas que se desplazan por el espacio.
"Las señales de microlente de planetas pequeños son raras y breves, pero son más fuertes que las señales de otros métodos", dijo David Bennett, quien dirige el grupo de microlente gravitacional en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Dado que es un evento uno en un millón, la clave para que WFIRST encuentre planetas de baja masa es buscar cientos de millones de estrellas".
Además, la microlente es mejor para encontrar planetas dentro y más allá de la zona habitable: las distancias orbitales donde los planetas pueden tener agua líquida en sus superficies.
Microlente 101
Este efecto ocurre cuando la luz pasa cerca de un objeto masivo. Cualquier cosa con masa deforma la tela del espacio-tiempo, algo así como la abolladura que hace una bola de boliche cuando se coloca en una cama elástica. La luz viaja en línea recta, pero si el espacio-tiempo se dobla, lo que ocurre cerca de algo masivo, como una estrella, la luz sigue la curva.
Esta animación ilustra dos formas en que un evento de microlente gravitacional podría mirar a un observador. En la parte superior está la forma en que podría parecer a un telescopio capaz de resolver las características. La estrella fuente parece moverse y distorsionarse a medida que su luz es deformada por la estrella de lente más cercana y su planeta. En la parte inferior hay una curva de luz que muestra la intensidad de la luz del evento. Cuando las dos estrellas alcanzan la mejor alineación, la señal alcanza su pico. El planeta que orbita la estrella de la lente es detectable como un breve cambio en el brillo. Crédito: Laboratorio de Imagen Conceptual del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.
Cada vez que dos estrellas se alinean estrechamente desde nuestro punto de vista, la luz de las curvas de estrellas más distantes a medida que viaja a través del espacio-tiempo deformado de la estrella más cercana. Este fenómeno, una de las predicciones de la teoría general de la relatividad de Einstein, fue confirmado por el físico británico Sir Arthur Eddington durante un eclipse solar total en 1919. Si la alineación es especialmente cercana, la estrella más cercana actúa como una lente cósmica natural, enfocando y intensificando la luz de la estrella de fondo.
Los planetas que orbitan alrededor de la estrella en primer plano también pueden modificar la luz con lente, actuando como sus propias lentes diminutas. La distorsión que crean permite a los astrónomos medir la masa y la distancia del planeta desde su estrella anfitriona. Así es como WFIRST usará microlente para descubrir nuevos mundos.
Mundos familiares y exóticos
"Intentar interpretar las poblaciones de planetas hoy es como tratar de interpretar una imagen con la mitad cubierta", dijo Matthew Penny, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Estatal de Louisiana en Baton Rouge, quien dirigió un estudio para predecir las capacidades de la encuesta de microlente de WFIRST. "Para comprender completamente cómo se forman los sistemas planetarios, necesitamos encontrar planetas de todas las masas a todas las distancias. Ninguna técnica puede hacer esto, pero el estudio de microlente de WFIRST, combinado con los resultados de Kepler y TESS, revelará mucho más de la imagen".Hasta ahora se han descubierto más de 4.000 exoplanetas confirmados, pero solo se encontraron 86 mediante microlente. Las técnicas comúnmente utilizadas para encontrar otros mundos están sesgadas hacia los planetas que tienden a ser muy diferentes de los de nuestro sistema solar. El método de tránsito, por ejemplo, es el mejor para encontrar planetas similares a Neptuno que tienen órbitas mucho más pequeñas que las de Mercurio. Para un sistema solar como el nuestro, los estudios de tránsito podrían pasar por alto todos los planetas.
La encuesta de microlente de WFIRST nos ayudará a encontrar análogos a todos los planetas de nuestro sistema solar, excepto Mercurio, cuya pequeña órbita y baja masa se combinan para ponerla fuera del alcance de la misión. WFIRST encontrará planetas que son la masa de la Tierra e incluso más pequeños, tal vez incluso lunas grandes, como la luna de Júpiter Ganímedes.
WFIRST también encontrará planetas en otras categorías poco estudiadas. La microlente es más adecuada para encontrar mundos desde la zona habitable de su estrella y más allá. Esto incluye gigantes de hielo, como Urano y Neptuno en nuestro sistema solar, e incluso planetas rebeldes, mundos que deambulan libremente por la galaxia sin unirse a ninguna estrella.
Si bien los gigantes de hielo son una minoría en nuestro sistema solar, un estudio de 2016 indicó que pueden ser el tipo de planeta más común en toda la galaxia. WFIRST pondrá a prueba esa teoría y nos ayudará a comprender mejor qué características planetarias son más frecuentes.
WFIRST realizará sus observaciones de microlente en la dirección del centro de la galaxia de la Vía Láctea. La mayor densidad de estrellas producirá más eventos de microlente, incluidos los que revelan exoplanetas. Crédito: Laboratorio de Imagen Conceptual del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.
Gemas ocultas en el núcleo galáctico
WFIRST explorará regiones de la galaxia que aún no han sido buscadas sistemáticamente por exoplanetas debido a los diferentes objetivos de las misiones anteriores. Kepler, por ejemplo, buscó en una región de tamaño modesto de aproximadamente 100 grados cuadrados con 100.000 estrellas a distancias típicas de alrededor de mil años luz. TESS escanea todo el cielo y rastrea 200.000 estrellas, sin embargo, sus distancias típicas son de alrededor de 100 años luz. WFIRST buscará aproximadamente 3 grados cuadrados, pero seguirá a 200 millones de estrellas a distancias de alrededor de 10.000 años luz.Como WFIRST es un telescopio infrarrojo, verá a través de las nubes de polvo que impiden que otros telescopios estudien planetas en la concurrida región central de nuestra galaxia. La mayoría de las observaciones de microlente basadas en tierra hasta la fecha han sido en luz visible, lo que hace que el centro de la galaxia sea un territorio exoplaneta en gran parte inexplorado. Una encuesta de microlente realizada desde 2015 utilizando el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido (UKIRT) en Hawai está allanando el camino para el censo de exoplanetas de WFIRST al mapear la región.
La encuesta UKIRT está proporcionando las primeras mediciones de la tasa de eventos de microlente hacia el núcleo de la galaxia, donde las estrellas están más densamente concentradas. Los resultados ayudarán a los astrónomos a seleccionar la estrategia de observación final para el esfuerzo de microlente de WFIRST.
El objetivo más reciente del equipo UKIRT es detectar eventos de microlente utilizando el aprendizaje automático, lo que será vital para WFIRST. La misión producirá una cantidad tan grande de datos que no será práctico peinarlos a simple vista. Agilizar la búsqueda requerirá procesos automatizados.
Los resultados adicionales de UKIRT apuntan a una estrategia de observación que revelará la mayor cantidad posible de eventos de microlente mientras evita las nubes de polvo más gruesas que pueden bloquear incluso la luz infrarroja.
"Nuestra encuesta actual con UKIRT está sentando las bases para que WFIRST pueda implementar la primera encuesta de microlente dedicada basada en el espacio", dijo Savannah Jacklin, astrónoma de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee, que ha dirigido varios estudios de UKIRT. "Las misiones previas de exoplanetas ampliaron nuestro conocimiento de los sistemas planetarios, y WFIRST nos acercará un paso gigante para comprender realmente cómo los planetas, particularmente aquellos dentro de las zonas habitables de sus estrellas anfitrionas, se forman y evolucionan".
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| Kepler y otros esfuerzos de búsqueda de exoplanetas han descubierto miles de planetas grandes con órbitas pequeñas, representados por los puntos rojos y negros en este gráfico. WFIRST encontrará planetas con un rango mucho más amplio de masas que orbitan más lejos de su estrella anfitriona, como lo muestran los puntos azules. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, adaptado de Penny et al. (2019) |
De enanas marrones a agujeros negros
La misma encuesta de microlente que revelará miles de planetas también detectará cientos de otros objetos cósmicos extraños e interesantes. Los científicos podrán estudiar cuerpos flotantes con masas que van desde la de Marte hasta 100 veces la del Sol.El extremo inferior del rango de masa incluye planetas que fueron expulsados de sus estrellas anfitrionas y ahora deambulan por la galaxia como planetas rebeldes. Luego están las enanas marrones, que son demasiado masivas para ser caracterizadas como planetas pero no lo suficientemente grandes como para encenderse como estrellas. Las enanas marrones no brillan visiblemente como estrellas, pero WFIRST podrá estudiarlas en luz infrarroja a través del calor que queda de su formación.
Los objetos en el extremo superior incluyen cadáveres estelares (estrellas de neutrones y agujeros negros) a la izquierda cuando las estrellas masivas agotan su combustible. Estudiarlos y medir sus masas ayudará a los científicos a comprender más sobre la agonía de las estrellas al tiempo que proporcionará un censo de agujeros negros de masa estelar.
"La encuesta de microlente de WFIRST no solo avanzará nuestra comprensión de los sistemas planetarios", dijo Penny, "también permitirá una gran cantidad de otros estudios sobre la variabilidad de 200 millones de estrellas, la estructura y formación de la Vía Láctea interior y la población de agujeros negros y otros objetos oscuros y compactos que son difíciles o imposibles de estudiar de otra manera".
La Ley de Asignaciones Consolidadas del FY2020 financia el programa WFIRST hasta septiembre de 2020. La solicitud de presupuesto del FY2021 propone finalizar la financiación de la misión WFIRST y centrarse en la finalización del Telescopio Espacial James Webb, ahora planeado para su lanzamiento en marzo de 2021. La Administración no está lista proceder con otro telescopio multimillonario hasta que Webb se haya lanzado e implementado con éxito.
