Astronomía

¿Pueden los telescopios terrestres utilizar una pantalla estelar en el espacio?

¿Pueden los telescopios terrestres utilizar una pantalla estelar en el espacio?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

1) ¿Podrían los telescopios terrestres utilizar una sombra estelar en órbita? Si es así, ¿qué tipo de órbita debería tener?

2) ¿Se podría utilizar la misma sombra estelar con dos telescopios espaciales diferentes, o el posicionamiento lo hace poco práctico?


Si la sombra estelar se mantuviera en su lugar sobre el telescopio terrestre, tendría que estar en una órbita geosincrónica, lo que la sitúa a casi 36.000 km de la superficie de la Tierra. Para cubrir una distancia angular de 1 segundo de arco (1/3600 de grado), tendría un tamaño de alrededor de 10 km. Ciertamente no es imposible, pero tecnológicamente impráctico en este momento. Además, la sombra estelar solo sombrearía una pequeña región del cielo, por lo que no sería útil desde otros sitios de observación.

En cuanto a los telescopios espaciales que utilizan una pantalla estelar en órbita geosincrónica; eso sería imposible, al menos para los telescopios que orbitan la Tierra, como lo es el Hubble. La sombra estelar orbita la Tierra a una distancia y, por lo tanto, a una velocidad diferente a la de los telescopios. Por lo que puedo ver, sería casi imposible mantenerlos alineados durante más de unos minutos. Sin embargo, no he hecho ningún cálculo numérico sobre esto.


Telescopios terrestres

La luna se pone detrás del Very Large Telescope en Chile
Crédito: G.Gillet / ESO

La mayoría de los telescopios utilizados por los astrónomos se conocen como terrestres, esto significa que están ubicados aquí en la Tierra en algunos de los mejores sitios de observación del mundo.

Obviamente, es más fácil tener un telescopio aquí en la Tierra, ya que se puede visitar con mucha más frecuencia y es mucho más fácil de arreglar si las cosas salen mal, también es sustancialmente más barato de construir. Sin embargo, también hay aspectos negativos. Cuando se coloca un telescopio en el suelo, tiene que mirar hacia arriba a través de la atmósfera de la Tierra para ver el espacio, y la atmósfera puede difuminar nuestras imágenes.

La atmósfera también bloquea la luz de ciertas partes del espectro electromagnético, esto significa que no podemos ver esta luz desde el suelo y en su lugar necesitamos poner un telescopio en el espacio para obtener esta información.

Los huecos en nuestra atmósfera donde la luz puede llegar al suelo se llaman ventanas atmosféricas y se pueden ver debajo donde el opacidad, o cuánta luz se deja pasar, es 0% (transparente a la luz) o un número bajo (translúcido a la luz). Donde la opacidad es del 100%, ninguna luz de esa longitud de onda puede pasar, o es opaca a esa luz.

La opacidad de la atmósfera terrestre a la luz de diferentes longitudes de onda.
Crédito: NASA

Flower power: prototipo de pétalo de sombra estelar de la NASA

Los astrónomos han estado detectando exoplanetas indirectamente durante más de 15 años, pero en realidad tomar una fotografía de uno ha demostrado ser una tarea inmensamente difícil. Sacar la luz tenue de un planeta de una estrella miles de millones de veces más brillante es como encontrar una aguja en un pajar cósmico, especialmente cuando el planeta en cuestión es un mundo pequeño y rocoso similar a la Tierra. Para lograr esta hazaña, los investigadores están desarrollando técnicas para bloquear la luz de las estrellas y preservar la luz emitida por el planeta. A esto se le llama supresión de la luz de las estrellas.

Es una tarea para la que la sombra estelar en forma de flor de la NASA está diseñada para facilitarla. Trabajando en conjunto con un telescopio espacial, la pantalla estelar es capaz de posicionarse con precisión entre el telescopio y la estrella que & rsquos está siendo observada, y puede bloquear la luz de las estrellas incluso antes de que alcance los espejos del telescopio & rsquos.

Con la luz de las estrellas suprimida, la luz proveniente de exoplanetas que orbitan alrededor de la estrella sería visible. Con esta tecnología, los astrónomos podrían tomar fotografías reales de exoplanetas e imágenes ndash que podrían proporcionar pistas sobre si esos mundos podrían sustentar la vida tal como la conocemos.

Los pétalos en forma de flor son parte de lo que hace que la sombra estelar sea tan efectiva. & ldquoLa forma de los pétalos, cuando se ve desde lejos, crea un borde más suave que causa menos curvatura de las ondas de luz & rdquo, dijo el Dr. Stuart Shaklan, ingeniero principal de JPL & rsquos en el proyecto starshade. & ldquoLuz menos curvada significa que la sombra de la estrella es muy oscura, por lo que el telescopio puede tomar imágenes de los planetas sin verse abrumado por la luz de las estrellas. & rdquo

La pantalla estelar también es única en el sentido de que, a diferencia de la mayoría de los instrumentos espaciales, forma parte de un sistema de observación de dos naves espaciales. "Podemos usar un telescopio espacial preexistente para tomar las fotografías", explica Shaklan. & ldquoLa pantalla estelar tiene propulsores que le permitirán moverse para bloquear la luz de diferentes estrellas. & rdquo

Este proceso presenta una serie de desafíos de ingeniería que Shaklan y su equipo están trabajando arduamente para desentrañar, desde colocar la pantalla estelar con precisión en el espacio hasta garantizar que se pueda implementar con precisión. "Nuestra tarea actual es descubrir cómo desplegar la sombra estelar en el espacio para que todos los pétalos terminen en el lugar correcto, con una precisión milimétrica", dijo el profesor Jeremy Kasdin, un investigador de Princeton que es el investigador principal del proyecto de la sombra estelar. El grupo Kasdin & rsquos creará una pantalla estelar a menor escala en Princeton para verificar que el diseño bloquea la luz según lo predicho por las simulaciones por computadora. Al mismo tiempo, el equipo de JPL probará el despliegue de un sistema de pantalla estelar a escala casi completa en el laboratorio para medir su precisión.

A pesar de estos desafíos, el enfoque de la sombra estelar podría ofrecer muchas ventajas a los cazadores de planetas. "Uno de los puntos fuertes de starshade & rsquos es la simplicidad", dijo Kasdin. & ldquoLa luz de la estrella nunca llega al telescopio porque está bloqueada por la pantalla estelar, lo que permite que el sistema del telescopio sea más simple. & rdquo Otra ventaja del enfoque de pantalla estelar es que se puede usar con un telescopio espacial multipropósito diseñado para realizar observaciones que podrían ser útil para los astrónomos que trabajan en campos distintos a los exoplanetas.

Los ingenieros de la NASA y rsquos starshade son optimistas de que refinar su tecnología podría ser la clave para los principales descubrimientos de exoplanetas en el futuro. "Una misión de sombra estelar nos permitiría obtener imágenes directamente de exoplanetas rocosos del tamaño de la Tierra, que es algo que no podemos hacer desde el suelo", dice Kasdin. & ldquoWe & rsquoll podremos mostrarle a la gente la imagen de un punto y explicar que ese & rsquos otra Tierra. & rdquo


Starshade llevaría la formación volando a los extremos

Para buscar exoplanetas, la sombra parecida a una flor debería permanecer alineada con un telescopio espacial a grandes distancias. El trabajo reciente demuestra cómo eso es posible.

Cualquiera que haya visto una aeronave en formación de vuelo puede apreciar la hazaña de mantenerse altamente sincronizado mientras está en el aire. En un trabajo patrocinado por el Programa de Exploración de Exoplanetas (ExEP) de la NASA, los ingenieros del Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, California, están llevando el vuelo en formación a un nuevo extremo.

Su trabajo marca un hito importante dentro de un programa más amplio para probar la viabilidad de una tecnología llamada starshade. Aunque las sombras estelares nunca han volado en el espacio, tienen el potencial de permitir observaciones innovadoras de planetas más allá de nuestro sistema solar, incluidas imágenes de planetas tan pequeños como la Tierra.

El concepto de este artista de una sombra estelar muestra cómo la tecnología puede bloquear la luz de las estrellas y revelar la presencia de planetas. El video también muestra el despliegue de un modelo de pantalla estelar construido por la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro # x27s, en una instalación de Astro Aerospace / Northroup Grumman en Santa Bárbara en 2013. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Una futura misión de sombra estelar involucraría dos naves espaciales. Uno sería un telescopio espacial en busca de planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar. La otra nave espacial volaría a unas 25.000 millas (40.000 kilómetros) frente a ella, llevando una sombra grande y plana. La sombra se desplegaría como una flor en flor, completa con "pétalos", y bloquearía la luz de una estrella, lo que permitiría al telescopio tener una visión más clara de los planetas en órbita. Pero funcionaría solo si las dos naves espaciales permanecieran, a pesar de la gran distancia entre ellas, alineadas a menos de 3 pies (1 metro) entre sí. Un poco más, y la luz de las estrellas se filtraría alrededor de la pantalla estelar hacia la vista del telescopio y abrumaría a los exoplanetas débiles.

"Las distancias de las que estamos hablando para la tecnología de pantalla estelar son difíciles de imaginar", dijo el ingeniero del JPL, Michael Bottom. "Si la pantalla estelar se redujera al tamaño de una montaña rusa, el telescopio tendría el tamaño de un borrador de lápiz y estarían separados por unas 60 millas [100 kilómetros]. Ahora imagina que esos dos objetos flotan libremente en el espacio. Ambos están experimentando estos pequeños tirones y empujones de la gravedad y otras fuerzas, y a esa distancia estamos tratando de mantenerlos alineados con precisión dentro de unos 2 milímetros.

Los investigadores han encontrado miles de exoplanetas sin el uso de una pantalla estelar, pero en la mayoría de los casos los científicos han descubierto estos mundos indirectamente. El método de tránsito, por ejemplo, detecta la presencia de un planeta cuando pasa frente a su estrella madre y provoca una caída temporal en el brillo de la estrella. Solo en relativamente pocos casos los científicos han tomado imágenes directas de exoplanetas.

Bloquear la luz de las estrellas es clave para realizar imágenes más directas y, eventualmente, para llevar a cabo estudios en profundidad de las atmósferas planetarias o encontrar pistas sobre las características de la superficie de los mundos rocosos. Dichos estudios tienen el potencial de revelar signos de vida más allá de la Tierra por primera vez.

La idea de utilizar una pantalla estelar basada en el espacio para estudiar exoplanetas se propuso inicialmente en la década de 1960, cuatro décadas antes del descubrimiento de los primeros exoplanetas. Y aunque la capacidad de apuntar una sola nave espacial de manera constante a un objeto distante tampoco es nueva, mantener dos naves espaciales alineadas entre sí hacia un objeto de fondo representa un tipo de desafío diferente.

La NASA ha encargado a los investigadores que trabajan en el desarrollo de tecnología Starshade ExEP & # x27s, conocido como S5, el desarrollo de la tecnología Starshade para posibles futuras misiones de telescopios espaciales. El equipo S5 está abordando tres brechas tecnológicas que deberían cerrarse antes de que una misión de sombra estelar pueda estar lista para ir al espacio.

El trabajo realizado por Bottom y su colega, el ingeniero del JPL, Thibault Flinois, cierra una de esas brechas al confirmar que los ingenieros podrían producir de manera realista una misión de sombra estelar que cumpliera con estos estrictos requisitos de "detección y control de la formación". Sus resultados se describen en el informe S5 Milestone 4, disponible en el sitio web del ExEP.

Los detalles de una misión estelar en particular, incluida la distancia exacta entre las dos naves espaciales y el tamaño de la sombra, dependerían del tamaño del telescopio. El informe S5 Milestone 4 analizó principalmente un rango de separación de entre 12,500 y 25,000 millas (20,000 a 40,000 kilómetros), con una sombra de 85 pies (26 metros) de diámetro. Estos parámetros funcionarían para una misión del tamaño del telescopio de estudio infrarrojo de campo amplio (WFIRST) de la NASA y # x27, un telescopio con un espejo primario de 2,4 metros de diámetro que se lanzará a mediados de la década de 2020.

WFIRST llevará una tecnología diferente de bloqueo de la luz de las estrellas, llamada coronógrafo, que se encuentra dentro del telescopio y ofrece sus propias fortalezas únicas en el estudio de exoplanetas. Esta demostración de tecnología será el primer coronógrafo estelar de alto contraste en ir al espacio, lo que permitirá a WFIRST obtener imágenes directamente de exoplanetas gigantes similares a Neptuno y Júpiter.

Las tecnologías de sombreado estelar y coronógrafo funcionan por separado, pero Bottom probó una técnica mediante la cual WFIRST podía detectar cuando una sombra estelar hipotética se desvía sutilmente fuera de alineación. Una pequeña cantidad de luz estelar se doblaría inevitablemente alrededor de la sombra estelar y formaría un patrón de luz y oscuridad en la parte frontal del telescopio. El telescopio vería el patrón usando una cámara de pupila, que puede tomar imágenes de la parte frontal del telescopio desde adentro, similar a fotografiar un parabrisas desde el interior de un automóvil.

Investigaciones anteriores de las sombras estelares habían considerado este enfoque, pero Bottom lo hizo realidad al construir un programa de computadora que podía reconocer cuándo el patrón de luz y oscuridad estaba centrado en el telescopio y cuándo se había desviado del centro. Bottom descubrió que la técnica funciona muy bien como una forma de detectar el movimiento de la sombra estelar & # x27s.

"Podemos sentir un cambio en la posición de la sombra estelar de hasta una pulgada, incluso en estas enormes distancias", dijo Bottom.

Pero detectar cuándo la sombra estelar está desalineada es una propuesta completamente diferente a mantenerla realmente alineada. Con ese fin, Flinois y sus colegas desarrollaron un conjunto de algoritmos que utilizan la información proporcionada por el programa Bottom & # x27s para determinar cuándo deben dispararse los propulsores de la sombra estelar para devolverlos a su posición. Los algoritmos se crearon para mantener de forma autónoma la pantalla estelar alineada con el telescopio durante días.

Combinado con el trabajo de Bottom & # x27s, esto muestra que mantener las dos naves espaciales alineadas es factible usando sensores automatizados y controles de propulsión. De hecho, el trabajo de Bottom y Flinois demuestra que los ingenieros podrían satisfacer razonablemente las demandas de alineación de una pantalla estelar aún más grande (en conjunto con un telescopio más grande), colocada hasta 46,000 millas (74,000 kilómetros) del telescopio.

"Con una gama de escalas tan inusualmente grande en juego aquí, puede ser muy contradictorio que esto sea posible a primera vista", dijo Flinois.

Un proyecto de sombra estelar aún no ha sido aprobado para vuelo, pero uno podría unirse a WFIRST en el espacio a fines de la década de 2020. Cumplir con el requisito de vuelo en formación es solo un paso para demostrar que el proyecto es factible.

"Para mí, esto es un buen ejemplo de cómo la tecnología espacial se vuelve cada vez más extraordinaria al aprovechar sus éxitos anteriores", dijo Phil Willems, gerente de la actividad de Desarrollo de Tecnología Starshade de la NASA. "Usamos formación que vuela en el espacio cada vez que una cápsula atraca en la Estación Espacial Internacional". Pero Michael y Thibault han ido mucho más allá y han mostrado una forma de mantener la formación en escalas más grandes que la Tierra misma ''.


Contenido

Los observatorios astronómicos se dividen principalmente en cuatro categorías: basados ​​en el espacio, aerotransportados, terrestres y subterráneos.

Observatorios terrestres Editar

Los observatorios terrestres, ubicados en la superficie de la Tierra, se utilizan para realizar observaciones en las porciones de radio y luz visible del espectro electromagnético. La mayoría de los telescopios ópticos están alojados dentro de una cúpula o estructura similar, para proteger los delicados instrumentos de los elementos. Las cúpulas de los telescopios tienen una hendidura u otra abertura en el techo que puede abrirse durante la observación y cerrarse cuando el telescopio no está en uso. En la mayoría de los casos, toda la parte superior de la cúpula del telescopio se puede girar para permitir que el instrumento observe diferentes secciones del cielo nocturno. Los radiotelescopios generalmente no tienen domos.

Para los telescopios ópticos, la mayoría de los observatorios terrestres están ubicados lejos de los principales centros de población, para evitar los efectos de la contaminación lumínica. Los lugares ideales para los observatorios modernos son los sitios que tienen cielos oscuros, un gran porcentaje de noches despejadas al año, aire seco y se encuentran a gran altura. A grandes alturas, la atmósfera de la Tierra es más delgada, lo que minimiza los efectos de la turbulencia atmosférica y da como resultado una mejor "visión" astronómica. [2] Los sitios que cumplen con los criterios anteriores para los observatorios modernos incluyen el suroeste de los Estados Unidos, Hawái, las Islas Canarias, los Andes y las altas montañas de México como Sierra Negra. [3] Los principales observatorios ópticos incluyen el Observatorio Mauna Kea y el Observatorio Nacional Kitt Peak en los Estados Unidos, el Observatorio Roque de los Muchachos en España y el Observatorio Paranal y el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile.

Un estudio de investigación específico realizado en 2009 muestra que la mejor ubicación posible para un observatorio terrestre en la Tierra es Ridge A, un lugar en la parte central de la Antártida oriental. [4] Esta ubicación proporciona las menores perturbaciones atmosféricas y la mejor visibilidad.

Observatorios de radio Editar

A partir de la década de 1930, se han construido radiotelescopios para su uso en el campo de la radioastronomía para observar el Universo en la porción de radio del espectro electromagnético. Dicho instrumento, o colección de instrumentos, con instalaciones de apoyo como centros de control, alojamiento para visitantes, centros de reducción de datos y / o instalaciones de mantenimiento se denominan observatorios de radio. Los observatorios de radio están ubicados de manera similar lejos de los principales centros de población para evitar la interferencia electromagnética (EMI) de radio, televisión, radar y otros dispositivos emisores de EMI, pero a diferencia de los observatorios ópticos, los observatorios de radio se pueden colocar en valles para un mayor blindaje EMI. Algunos de los principales observatorios de radio del mundo incluyen Very Large Array en Nuevo México, Estados Unidos, Jodrell Bank en el Reino Unido, Arecibo en Puerto Rico, Parkes en Nueva Gales del Sur, Australia y Chajnantor en Chile.

Los observatorios astronómicos más altos Editar

Desde mediados del siglo XX, se han construido varios observatorios astronómicos a alturas muy elevadas, por encima de los 4.000–5.000 m (13.000–16.000 pies). El más grande y notable de ellos es el Observatorio Mauna Kea, ubicado cerca de la cima de un volcán de 4.205 m (13.796 pies) en Hawai'i. El Observatorio Astrofísico Chacaltaya en Bolivia, a 5.230 m (17.160 pies), fue el observatorio astronómico permanente más alto del mundo [5] desde el momento de su construcción durante la década de 1940 hasta 2009. Ahora ha sido superado por el nuevo Observatorio Atacama de la Universidad de Tokio. , [6] un telescopio óptico-infrarrojo en la cima de una montaña remota de 5.640 m (18.500 pies) en el desierto de Atacama de Chile.


Conclusión

El desarrollo de este eficiente algoritmo permite estimaciones más precisas de la completitud utilizando la sombra estelar. Puede calcular una estimación de integridad para un conjunto de parámetros astrofísicos definido por el usuario. Su importancia radica en que, por primera vez, utilizamos imágenes simuladas en lugar de valores promediados para las variables. Al reflejar el proceso de un astrónomo, nuestro algoritmo genera una estimación más realista de la completitud. Con mejoras, este algoritmo puede ser muy útil para la planificación futura de misiones de sombra estelar del JPL, para calcular la probabilidad de una misión exitosa.


Ver el futuro con la ciencia de la imagen: resúmenes de equipos de investigación interdisciplinarios (2011)

RESUMEN DEL DESAFÍO

El mundo en el que vivimos es el único planeta que conocemos que alberga vida. ¿Nuestro planeta es único? Aún no hemos encontrado vida en Marte, a pesar de la amplia evidencia de la existencia de agua, ni hemos encontrado evidencia de vida en ningún otro lugar de nuestro sistema solar. Una posibilidad tentadora es que todavía pueda existir vida bajo el hielo de las lunas de Júpiter y no hay pruebas. ¿Hay vida en otras partes del universo? Si pudiéramos obtener imágenes de sistemas planetarios alrededor de estrellas vecinas y, además, caracterizar las superficies y atmósferas de los planetas constituyentes, estaríamos un paso más cerca de responder a esta pregunta.

Hasta la fecha, se han detectado más de 400 planetas alrededor de otras estrellas mediante una combinación de técnicas de velocidad radial, experimentos de tránsito y microlentes. También se han encontrado espectros de baja resolución de varios planetas utilizando el Telescopio Espacial Hubble, el Telescopio Espacial Spitzer y algunos observatorios terrestres en estos casos, los planetas han sido objetos diferentes a cualquier cosa en nuestro sistema solar, siendo en su mayoría Júpiter -como planetas en órbitas similares a Mercurio. También se han recopilado imágenes de varios sistemas planetarios desde la tierra y el espacio, que han mostrado planetas en órbitas mucho más amplias incluso que los límites de nuestro sistema solar y con compañeros planetarios de tamaño extremo, 3 & ndash20 veces la masa de Júpiter & rsquos.

Los sistemas planetarios como el nuestro alrededor de otras estrellas son demasiado pequeños para ser captados por telescopios convencionales. Si quisiéramos buscar alrededor de las 150 estrellas más cercanas, necesitaríamos un telescopio con una resolución angular mejor

20 mas esto nos permitiría distinguir objetos como la Tierra y Venus en análogos del sistema solar a una distancia de 15 pc de la Tierra. Nuestra atmósfera turbulenta limita los telescopios terrestres a resoluciones no superiores a 50 ms & mdashe incluso con la mejor óptica adaptativa disponible. Además, el telescopio espacial Hubble, con su espejo de 2,4 m, también tiene un poder de resolución no superior a 50 mas. Se necesitan nuevos telescopios espaciales avanzados para obtener imágenes de sistemas planetarios similares al nuestro.

Más allá de las limitaciones de resolución angular, un desafío más difícil es que los planetas son extremadamente débiles en comparación con las estrellas alrededor de las cuales orbitan. Un planeta similar a la Tierra sería aproximadamente 10 mil millones de veces más débil que una estrella similar al Sol cuando se lo ve en longitudes de onda ópticas, aunque algo más brillante en longitudes de onda infrarrojas y mdash, entonces solo un factor de 10 millones más débil. Debido a esto, la luz estelar dispersa dentro de un telescopio, causada por lo que de otro modo serían imperfecciones insignificantes en las superficies de los espejos, puede abrumar por completo la luz de un planeta. Los telescopios deben tener un tamaño significativamente mayor en comparación con la resolución limitada de difracción requerida para que los planetas puedan verse más allá del resplandor de la luz estelar dispersa. Se necesitan telescopios espaciales con diámetros de 8 mo más para buscar planetas terrestres alrededor de la docena de estrellas más cercana.

La construcción de un telescopio espacial óptico de 8 m es un formidable desafío técnico y de ingeniería. Los telescopios más grandes de la Tierra son solo un poco más grandes, a saber, los telescopios gemelos de 10 m del Observatorio W. M. Keck. El telescopio más grande que puede caber fácilmente dentro de un vehículo de lanzamiento es mucho más pequeño: solo unos 3,5 m de diámetro. Por lo tanto, se necesitan enfoques innovadores para el diseño y empaquetado de telescopios. Además, el telescopio debe tener una óptica capaz de suprimir la luz de las estrellas en un factor de 10 millones a 10 mil millones de metros cúbicos, lo que está aún más allá del estado de la técnica. Aunque este enfoque es ciertamente factible con una inversión suficiente, solo proporcionaría imágenes de un puñado de sistemas planetarios cercanos. También se han estudiado otros enfoques innovadores.

Un enfoque potencialmente más simple podría ser usar una pantalla estelar para bloquear la luz de las estrellas incluso antes de que ingrese al telescopio, y tener un tamaño y una distancia adecuados para que la luz del planeta aún pueda verse. Una sombra estelar debería tener varios 10 & rsquos de metros de diámetro y estar situada a varios 10.000 km de distancia del telescopio. Este enfoque puede relajar en gran medida los requisitos de ingeniería del telescopio en sí, pero al mismo tiempo introduce otros desafíos logísticos. Tampoco aumentaría significativamente el número de sistemas planetarios de los que se podrían obtener imágenes.

Las limitaciones en la resolución angular de un solo telescopio pueden superarse si se utilizan varios telescopios simultáneamente como interferómetro en una matriz de síntesis. Esto proporciona un aumento en la resolución proporcional a la separación telescopio-telescopio, no simplemente al diámetro del telescopio. Desde finales de la década de 1950, los radioastrónomos han utilizado conjuntos de radiotelescopios para obtener imágenes de síntesis, al darse cuenta de que nunca sería posible construir telescopios orientables de más de 100 m (como el Observatorio Nacional de Radioastronomía y el telescopio rsquos Green Bank en West Virginia), ni telescopios fijos mayores que

300 m (el ejemplo extremo es el telescopio Cornell & rsquos Arecibo en Puerto Rico). Combinar señales de telescopios separados es relativamente sencillo en longitudes de onda de radio y milimétricas, porque los receptores de radio con estabilidad de fase adecuada y referencias de fase están fácilmente disponibles. En longitudes de onda ópticas e infrarrojas, el problema es significativamente más difícil, debido a los mayores requisitos de estabilidad en estas longitudes de onda más cortas. No obstante, este enfoque parece ser un camino prometedor a largo plazo para obtener imágenes de otros sistemas planetarios y encontrar vida en otros mundos.

Un conjunto de telescopios ópticos o infrarrojos en el espacio también es un formidable problema técnico y de ingeniería. No obstante, se ha demostrado en el laboratorio la supresión requerida de la luz estelar de un factor de 10 millones (en el infrarrojo). Se necesitan separaciones telescópicas de hasta 400 m para estudiar las 150 estrellas más cercanas. Los arreglos terrestres más grandes, como el de la Universidad Estatal de Georgia y el Centro rsquos de Alta Resolución Angular (CHARA) en Mount Wilson, California, tienen separaciones telescópicas de hasta 300 m. Sin embargo, la turbulencia atmosférica limita su sensibilidad a los objetos más brillantes que las magnitudes 10 y 14. Un conjunto de telescopios espaciales, por encima de la atmósfera, tendría una sensibilidad limitada principalmente por el área de recolección de cada telescopio, pero no habría una sola plataforma lo suficientemente grande para montarlo. Los telescopios tendrían que funcionar de manera cooperativa como una matriz de vuelo en formación: este fue durante muchos años el diseño básico de la misión Terrestrial Planet Finder (TPF) de la NASA y rsquos. Aunque los experimentos en el espacio han demostrado el encuentro y el acoplamiento de naves espaciales separadas, aún no se ha volado ninguna matriz de síntesis. No hay precedentes para una misión como TPF.

Preguntas clave

¿Qué nuevas formas y enfoques innovadores podría haber de otras disciplinas que podrían reducir el costo y aumentar la ciencia de una misión de imágenes de planetas?


LUVOIR

Una misión candidata, llamada Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), es esencialmente una versión reforzada del Telescopio Espacial Hubble. Al igual que el Hubble, este instrumento observaría el universo en longitudes de onda de luz ultravioleta, infrarroja y visible.

Sin embargo, con un diámetro de aproximadamente 50 pies (15 metros), el espejo de LUVOIR sería más de seis veces más ancho que el del Hubble. Esto significa que LUVOIR vería el universo con seis veces la resolución de Hubble. Y con 40 veces el poder de captación de luz del telescopio más antiguo, LUVOIR vería objetos más débiles, más pequeños y más distantes.

La NASA ha presentado dos opciones diferentes para el diseño de LUVOIR. La versión más grande, LUVOIR-A (descrita arriba), se construiría para lanzarse en el próximo megarócket del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS) de la NASA. LUVOIR-A es "el más grande que podríamos colocar en SLS", dijo Jason Tumlinson, investigador del Space Telescope Science Institute (STSci) durante una presentación en AAS el martes (8 de enero).

SLS, que también está por encima del presupuesto y retrasado, debería lanzar su primer vuelo en algún momento de 2020. "Si la NASA no construye ese cohete, entonces iremos con la versión más pequeña" de LUVOIR - LUVOIR-B, dijo Tumlinson . Este modelo tendría un espejo con un diámetro de 26 pies (8 m), y el tamaño más pequeño implicaría una resolución ligeramente más baja que para LUVOIR-A.

LUVOIR está diseñado para abordar una variedad de proyectos de investigación astronómica, como la búsqueda de exoplanetas habitables que estudian la formación y evolución de estrellas y galaxias que mapean la materia oscura en todo el universo e imágenes de objetos en el sistema solar, como planetas, cometas y asteroides. "Independientemente de lo que le interese, LUVOIR tiene un instrumento para usted", dijo Tumlinson.


4 respuestas 4

A partir de 2017, se han obtenido imágenes directamente de 22 exoplanetas. El más distante de ellos está a 1200 años de distancia.

Esto muestra a 4 de ellos orbitando HR 8799, que está a 128 ly de distancia:

Estas observaciones son lo suficientemente buenas para determinar las órbitas de los planetas y para hacer espectroscopía.

Entonces, ya podemos observar grandes exoplanetas a distancias mucho más largas, si orbitan lo suficientemente lejos de su estrella. Los planetas más pequeños más cercanos a su estrella son más difíciles de ver.

En la imagen de arriba hay un disco negro en el centro. Esto se usa para bloquear la luz de la estrella. Cubre la estrella, más un radio de aproximadamente 5 UA, por lo que cualquier planeta similar a la Tierra en la zona habitable está enmascarado en esta imagen.

Esto es necesario porque la óptica y el sistema de imágenes de un telescopio no son perfectos: la luz de la estrella no se limita al diámetro de la estrella, se extiende un poco. Esta luz estelar extendida es más brillante que los planetas en órbitas cercanas, por lo que esos planetas se pierden en el ruido.

Una forma de combatir esto es un ocultador, es decir, un objeto físico frente al telescopio que bloquea la luz de la estrella. La mayoría de estos son pequeños discos en el extremo frontal del telescopio.

La NASA está trabajando en una pantalla estelar: un disco mucho más grande colocado a 50.000 km frente a un telescopio espacial. Esto podría bloquear la luz de la estrella con mayor precisión, lo que permitiría al telescopio ver exoplanetas en la zona habitable (es decir, a distancias de

1 AU para estrellas más pequeñas). El plan era usar la pantalla estelar con WFIRST (un telescopio de 2,4 m), pero las preocupaciones recientes sobre los costos podrían hacer que la pantalla estelar se elimine de esta misión.

Por lo tanto, es posible que la solución para obtener imágenes directas de exoplanetas no tenga que ser un espejo más grande.

La resolución de un telescopio en radianes viene dada (con una muy buena aproximación de primer orden) por $ theta_= 1,22 frac < lambda>$ donde $ lambda $ es la longitud de onda y $ D $ es el diámetro de la apertura del telescopio. Con los números que proporcione, un telescopio de 21 metros a 200 nanómetros tendría una resolución de 0,002 segundos de arco. Ahora, hay muchos otros factores que limitarán nuestra resolución, pero puede considerar que esta, la resolución limitada por difracción, es la resolución más alta posible que puede lograr. Cualquier cosa con un tamaño angular más pequeño que este será indistinguible.

Entonces, nuestro siguiente paso es averiguar qué tamaño angular subtendrá un exoplaneta en el cielo. Vayamos con un planeta del tamaño de Júpiter, para aumentar nuestras posibilidades. Esto significa un diámetro planetario de $

1,4 * 10 ^ 8 $ metros. El tamaño angular de este objeto (en radianes) vendrá dado por $ theta_= fracPS De hecho, podemos establecer esta expresión igual a nuestra ecuación de resolución y resolver la distancia. Esto nos dará una aproximación de cuán lejos puede estar un planeta antes de que no podamos resolverlo. Resolviendo los rendimientos de $ distancia $:

Nuevamente, usando nuestros números, esto nos da una distancia de $ 1.2 * 10 ^ <16> $ metros, o 1.3 años luz.

Entonces, en última instancia, la respuesta es no. Una apertura primaria de 21 metros no será suficiente para resolver un exoplaneta. Así que veamos qué tan grande debería ser nuestro espejo, reordenando nuestra ecuación:

$ D = frac <1.22 cdot lambda cdot distancia> $ Si queremos resolver un exoplaneta del tamaño de Júpiter a la distancia de Epsilon Eridani, debería tener 173 metros de diámetro.

Ahora, todo esto es asumiendo que no tenemos que preocuparnos por otras cosas, como el resplandor de la estrella, que presenta su propio conjunto de problemas. Pero podemos evitar esto haciendo cosas como la interferometría óptica, que nos permite aumentar el tamaño efectivo de nuestro telescopio sin tener que construir espejos más grandes.

Si. El VLT de ESO utilizó el método de oscilación para detectar Proxima Centauri b, un planeta con un radio estimado en 0.8–1.5 R⊕ y un semi-eje mayor estimado en 0.0485 (+ 0.0041, –0.0051) AU, a una distancia de 4.224 ly.

El telescopio Hubble puede ver el sol del sistema Proxima Centauri.

El VLT terrestre consta de cuatro telescopios individuales, cada uno con un espejo primario de 8,2 m de ancho, que pueden alcanzar una resolución angular de aproximadamente 0,001 segundos de arco. En el modo de funcionamiento de un solo telescopio, la resolución angular es de aproximadamente 0,05 segundos de arco.

Best case ground based conditions give a seeing disk diameter of

0.4 arcseconds and are found at high-altitude observatories on small islands such as Mauna Kea or La Palma.

At the best high-altitude mountaintop observatories, the wind brings in stable air which has not previously been in contact with the ground, sometimes providing seeing as good as 0.4".

Under bad conditions a ground based telescope over 10 meters with poor seeing can limit the resolution to be about the same as given by a space-based 10–20 cm telescope.

Ground based telescopes must look through the atmosphere, which is opaque in many infrared bands (see figure of atmospheric transmission). Even where the atmosphere is transparent, many of the target chemical compounds, such as water, carbon dioxide, and methane, also exist in the Earth's atmosphere, vastly complicating analysis.

Existing space telescopes such as Hubble cannot study these bands since their mirrors are not cool enough (the Hubble mirror is maintained at about 15 degrees C) and hence the telescope itself radiates strongly in the IR bands.

The JWST telescope has an expected mass about half of Hubble Space Telescope's, but its primary mirror (a 6.5 meter diameter gold-coated beryllium reflector) will have a collecting area about five times as large (25 m^2 or 270 sq ft vs. 4.5 m^2 or 48 sq ft).

The JWST is oriented toward near-infrared astronomy, but can also see orange and red visible light, as well as the mid-infrared region, depending on the instrument.

JWST's primary mirror is a 6.5-meter-diameter gold-coated beryllium reflector with a collecting area of 25 m^2.

At which wavelengths will Webb observe?

Webb will work from 0.6 to 28 micrometers, ranging from visible gold-colored light through the invisible mid-infrared. The short wavelength end is set by the gold coating on the primary mirror. The long wavelength cut-off is set by the sensitivity of the detectors in the Mid-Infrared Instrument.

Webb is designed to discover and study the first stars and galaxies that formed in the early Universe. To see these faint objects, it must be able to detect things that are ten billion times as faint as the faintest stars visible without a telescope. This is 10 to 100 times fainter than Hubble can see.

What are the main science goals of Webb?

Webb has four mission science goals:

  • Search for the first galaxies or luminous objects that formed after the Big Bang.
  • Determine how galaxies evolved from their formation until the present.
  • Observe the formation of stars from the first stages to the formation of planetary systems.
  • Measure the physical and chemical properties of planetary systems and investigate the potential for life in those systems.

One of the main goals of Webb is to detect some of the very first star formation in the Universe. This is thought to happen somewhere between redshift 15 and 30 (redshift explained in question 45). At those redshifts, the Universe was only one or two percent of its current age. The Universe is now 13.7 billion years old, and these redshifts correspond to 100 to 250 million years after the Big Bang. The light from the first galaxies has traveled for about 13.5 billion years, over a distance of 13.5 billion light-years.

Will Webb see planets around other stars?

The Webb will be able to detect the presence of planetary systems around nearby stars from their infrared light (heat). It will be able to see directly the reflected light of large planets - the size of Jupiter - orbiting around nearby stars. It will also be possible to see very young planets in formation, while they are still hot. Webb will have coronagraphic capability, which blocks out the light of the parent star of the planets.

This is needed, as the parent star will be millions of times brighter than the planets orbiting it. Webb will not have the resolution to see any details on the planets it will only be able to detect a faint light speckle next to the bright parent star.

Webb will also study planets that transit across their parent star. When the planet goes between the star and Webb, the total brightness will drop slightly. The amount that the brightness drops tells us the size of the planet. Webb can even see starlight that passes through the planet's atmosphere, measure its constituent gasses and determine whether the planet has liquid water on its surface. When the planet passes behind the star, the total brightness drops, and we can again determine more of the planet's characteristics.

Super short version: They're launching a slightly larger telescope than you have asked for that will reach ("detect", not provide close-up photos) virtually to the known edge of the universe.


2020 Symposium Chairs

2020 Symposium Chairs:

Satoru Iguchi
National Astronomical Observatory of Japan
(Japón)

Alison Peck
Gemini Observatory (United States)

2020 Symposium Co-Chairs:

René Doyon
Univ. de Montréal (Canada)

Shouleh Nikzad
Jet Propulsion Lab. (Estados Unidos)