viernes, 17 de marzo de 2017


FOCO GRAVITATORIO DEL SOL PARA ESTUDIAR EXOPLANETAS  

Albert Einstein en su gran obra señala que cualquier objeto con masa distorsiona el espacio-tiempo y, por tanto, es capaz de desviar la luz a su alrededor (técnicamente decimos que la luz viaja a lo largo de una geodésica una ‘línea recta’– en un espacio-tiempo tetradimensional). Para objetos de pequeña masa como científicos o planetas el efecto es despreciable, pero no así para estrellas y otros objetos masivos. Ya en 1979 Von Eshleman propuso aprovechar el efecto de lente gravitatoria predicho por la Relatividad General para usar el Sol como un gigantesco telescopio.

 
Principio de lente gravitatoria: el Sol (objeto azul) actúa como un telescopio creando un anillo de Einstein de un objeto situado a mayor distancia (writescience.files.wordpress.com)

Pero sería el investigador italiano Claudio Maccone el principal valedor de esta propuesta. Desde los años 80 Maccone se ha convertido en el adalid de una misión al punto focal del Sol denominada FOCAL, un concepto que ha sufrido sucesivas mejoras a lo largo de los años. No obstante, el uso del Sol como telescopio no es nada sencillo y en un reciente trabajo Geoffrey Landis (NASA), nos recuerda por qué. De entrada, y a pesar de la contradicción, hay que entender que el ‘punto focal’ del Sol no es un punto, sino la superficie de una esfera. El segundo problema es la lejanía. Con el fin de poder usar el Sol como un enorme anteojo debemos alejarnos a una distancia mínima de unos 83 000 millones de kilómetros (550 Unidades Astronómicas). Para que nos hagamos una idea, Neptuno se encuentra a 4500 millones de klómetros (30 UA) del Sol. O sea, que una misión al punto focal sería casi una misión interestelar.



 
Concepto de la misión FOCAL y posición (Maccone et al.).
Otro factor que suele pasar desapercibido es que 550 UA es la distancia mínima con la que seremos capaces de usar el Sol como lente, ya que esta distancia es aquella que corresponde a los rayos de luz focalizados que pasan justo rozando el borde de la fotosfera solar (la ‘superficie’ visible del Sol). A mayores distancias es posible seguir usando el Sol como telescopio, pero veríamos los rayos de luz que pasan por el Sol a cada vez más distancia. Como veremos, lo ideal es situar nuestra sonda más allá de esta distancia mínima.

Ahora bien, supongamos que somos capaces de llegar hasta el ‘plano’ focal del Sol, una misión que con la tecnología actual requeriría de varias décadas de viaje. Evidentemente, el principal problema es que debemos saber qué vamos a observar con antelación. La superficie de la esfera del plano focal es tan brutalmente extensa que tardaríamos siglos o milenios en cubrirla.

Utilizar el Sol como telescopio no es nada sencillo. Obviamente, deberemos bloquear la luz del propio Sol si queremos ver algo, así que sería necesario usar un coronógrafo u ocultador independiente (tipo starshade). Más difícil será el bloqueo de la luz de la estrella del exoplaneta, que estará a tan solo un segundo de arco de distancia, así como la difusa luz zodiacal procedente del sistema planetario objeto de estudio. Ahora bien, aunque tapemos el Sol tendremos que hacer frente al brillo de la corona solar. Una forma directa de bloquearla es emplear un coronógrafo con un diámetro mayor al tamaño aparente del Sol, lo que implica situar nuestra sonda desde una distancia mayor a la distancia mínima del plano focal. De todas formas, la corona solar no tiene una frontera clara y tendríamos que poner el límite en función de la relación señal-ruido que más nos convenga.

La Relatividad General nos dice que la imagen del hipotético exoplaneta estará distorsionada formando un anillo de Einstein. Un pequeño inconveniente, podríamos pensar: usando el algoritmo adecuado no deberíamos tener problemas a la hora de reconstruir la imagen hasta que tenga una forma reconocible. Sí, pero el inconveniente es que el anillo de Einstein en cuestión cubrirá una superficie de varios kilómetros cuadrados. Por ejemplo, para un planeta de tamaño terrestre situado a diez años luz, el anillo de Einstein en el punto focal tendría unos 13 kilómetros de diámetro. Ni que decir tiene, es inviable construir un detector de semejante tamaño. Un telescopio en el punto focal del Sol vería por lo tanto solamente un trozo del exoplaneta. Si el telescopio tuviera un metro de diámetro observaríamos un área de un kilómetro de diámetro en la superficie de un planeta localizado a diez años luz. 

Pese a todo, esto no significa que no seamos capaces de observar nuestro objetivo. Simplemente podemos colocar nuestra sonda-telescopio en una zona y esperar que cruce la imagen del anillo de Einstein del exoplaneta. Ahora bien, esto únicamente nos permitirá cartografiar una pequeña franja del planeta. Para observaciones más elaboradas deberíamos seguir la imagen del planeta mientras se mueve por el plano focal. Para ello la nave tendría que ejecutar una maniobra con una Delta V de 200 m/s a lo largo de un año, una cifra solo al alcance de un sistema de propulsión muy eficiente (o sea, con un impulso específico muy alto).

Aún en el caso de que seamos capaces de superar todas las barreras teóricas y tecnológicas antes mencionadas, la imagen observada estaría ligeramente borrosa debido a las diversas limitaciones prácticas. Se puede contrarrestar este efecto con técnicas de deconvolución adecuadas, pero en todo caso no podríamos alcanzar resoluciones del orden de kilómetros. La resolución precisa dependerá de muchos parámetros, pero rondaría los cientos de kilómetros aproximadamente.

 A pesar de todo, siempre cabe la posibilidad de realizar una misión al punto focal más modesta con el objetivo de realizar observaciones en el espectro de radio (el efecto de lente gravitatoria afecta a todas las longitudes de onda) o para poner a prueba una vez más la Relatividad General.

Dra. Anayatzin S. Mendoza 


Referencias:


  • http://arxiv.org/pdf/1604.06351v1.pdf


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