El heredero del telescopio Hubble: el HDST

Cada vez que un nuevo telescopio ha observado los cielos, los descubrimientos imprevistos han sido revolucionarios.

HDST

Con un primitivo telescopio 5 cm. de diámetro, Galileo en 1609 descubrió las lunas de Júpiter y ayudó a establecer que la Tierra no era el centro del Universo.

Cuatro siglos más tarde, el Telescopio Espacial Hubble observó con su espejo de 2,4 metros hacia una zona aparentemente vacía del cielo (el campo profundo del Hubble) y reveló un universo oculto de galaxias débiles, lo permitió  establecer que debe haber más de cien mil millones de galaxias en el Universo visible.

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Y, sin embargo, con siglos de descubrimientos detrás de nosotros, algunas de las preguntas más apremiantes de la humanidad siguen sin respuesta: ¿Estamos solos en el Universo? ¿Hay otros mundos similares a la Tierra? ¿Cuales son los exoplanetas que tienen signos de vida? ¿Cómo surgió la vida de un inicio abiótico?

Los seres humanos han hecho estas preguntas durante milenios, pero por primera vez podremos responderlas.

Con la tecnología y el telescopio apropiado, pronto podríamos buscar signos de vida en exoplanetas cercanos, y lograr contar la historia de cómo se formó.

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El HDST permitirá detectar objetos de hielo hasta la parte interna de la nube de Oort (Inner Oort) en nuestro Sistema Solar.

Pero los objetivos ambiciosos requieren planes cuidadosos.

La Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) – encargada de promover la excelencia en la investigación astronómica, solicitó un estudio sobre cómo un nuevo telescopio espacial, sensible desde el UV hasta el infrarrojo cercano, podría revolucionar la astronomía. (el telescopio Espacial James Webb -JWST- es sensible fundamentalmente al infrarrojo).

En particular, AURA encargó a un equipo de científicos y técnicos el “evaluar futuras opciones….. que permitan avanzar significativamente en nuestra comprensión del origen y evolución del cosmos y la vida”.

Resultados

“El equipo de evaluación concluyó que un telescopio espacial equipado con un espejo primario de 12 metros podría encontrar y medir docenas de planetas similares a la Tierra y hacer avances en casi todos los campos de la astrofísica.

HDST
El HDST, observando Neptuno, podría llegar a ver detalles de 300 km, similares que fotografió la sonda Voyager.

El concepto se llama Telescopio Espacial de Alta Definición (HDST de sus siglas en ingles).

El HDST sería sensible a la luz en longitudes de onda UV, hasta el infrarrojo cercano, ubicado lejos de la Tierra, en el punto de Lagrange (L2), a 1,5 millones de km de la Tierra.

Su espejo segmentado, podría acomodarse en cualquiera cohete de carga pesada actual o futuro.

Asi se veria nuestro sistema solar desde varias docenas de años-luz. El disco interno negro que tapa el Sol se denomina coronografo.
Asi se veria nuestro sistema solar desde varias docenas de años-luz. El disco interno negro que tapa el Sol se denomina coronografo.

El HDST tendrá la capacidad de ver directamente los planetas extrasolares, que son 10 mil millones de veces más débiles que su estrella madre. (son unas 25 magnitudes).

Se ha planificado un coronografo, (una placa que bloquea el brillo de la estrella central), permitiendo ver directamente los exoplanetas en luz visible, con 25 veces el poder resolutivo del Telescopio Espacial Hubble, y muy alta sensibilidad en la parte UV (100 veces más sensible que el Hubble).

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El satelite Europa visto en luz visible (a la izquierda) y en UV (derecha). La fila de abajo con el Hubble y la de arriba, con el HDST. Detalles fenomenales en los geiseires.

Este equipo tan versátil, que combina imagenes directas con espectroscopia de altisima resolución, promete generar enormes avances en astrofísica. Al igual que el Hubble y el JWST, HDST operaría como un observatorio en general.

De todas maneras, el objetivo principal de HDST es encontrar y caracterizar docenas de exoplanetas similares a la Tierra.

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Pluton y Caronte con el Hubble y el HDST… sobran las palabras…..

De la lista actual de exotierras, permitiría identificar mundos realmente similares a la Tierra, con superficies rocosas y océanos. Con esta gran muestra, la observación de signos de vida en las atmósferas de los planetas se hace posible.

Si la vida es rara, nos llevará de nuestra actual ignorancia completa de la tasa de ocurrencia de mundos habitados a una primera restricción, lo que podría mostrar lo destacable de nuestra propia existencia.

Si la vida es común, una gran muestra de mundos terrestres con la química atmosférica altamente inusual asegurará nuestra creencia de que la vida existe de algún tipo más allá de la Tierra, independientemente de posibles falsos positivos. Cualquiera sea el resultado, HDST cambiará la forma en que vemos nuestro lugar en el Universo.

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Simulación de los espectros de distintos planetas. Es posible detectar las marcas distintivas de la vida en el espectro del planeta (al menos si la química es similar a la de la Tierra).

Mientras ya se sabe que existen miles de exoplanetas, desconocemos si son verdaderamente similares a la Tierra, a pesar de que algunos tienen radios similares.

Distinguir mundos habitables como la Tierra (es decir, los que tienen océanos de agua superficial) de los planetas con efecto invernadero como Venus, o mundos estériles como Marte, requiere la comprensión de su atmósfera.

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Un coronografo común, como el del SOHO, para fotografía solar, se puede ver aquí. Es el circulo oscuro que tapa la imagen del Sol central (el circulo de color amarillo). Esto permite ver los objetos débiles cercanos. El problema es que el contraste que requiere para ver planetas extrasolares es muchisimo mayor, así que por le momento un arreglo como este no sirve, sin mejorarlo.

Y el HDST tendrá la capacidad de adquirir los espectros de sus atmósferas en luz visible (y en algunos casos en infrarrojo cercano), que son longitudes de onda que permiten buscar signos de un planeta similar al nuestro.

Buscará exotierras alrededor de cientos de estrellas, y durante esa búsqueda revolucionará el estudio de sistemas planetarios en general.

La búsqueda de exotierras debe cumplir con 3 objetivos.

En primer lugar, HDST debe tener un gran tamaño para reunir suficientes fotones (las exotierras son tan débiles como los objetos más débiles en el Campo Profundo del Hubble) y lograr separar limpiamente el planeta y la estrella de cientos de sistemas estelares, a varias docenas de parsecs de distancia.

En segundo lugar, debe lograr la supresión de la luz estelar, para lograr ver los exoplanetas. Este tema es muy complejo, porque todavía no se sabe bien como se va a lograr, pero hay uno de los conceptos mas revolucionarios que es el starshade, que implica colocar una nave con forma de flor, a mil km del telescopio, para que oculte el brillo de la estrella a observar.

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El Starshade. Muy difícil será central la “flor” para que bloquee la estrella central que permita ver los exoplanetas (requiere aproximadamente poder colocarlo con una precisión de 1 metro), y ademas se le acabará el combustible. Ni hablar de ver una estrella y luego querer seguir otra a 180 grados….. muy complejo. Pero la ventaja es que logra el contraste necesario para verlos.

También están pensando en un coronografo común (similar al del SOHO, que puedes ver en la foto más arriba), una pieza o disco que tape la luz de la estrella dentro del telescopio, pero ha demostrado que no es efectivo. Necesita mejorar el contraste mil veces….

En tercer lugar, HDST debe ser térmica y dinámicamente estable para esta supresión luz de las estrellas de una homogénea y repetible.

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Funcionamiento del coronografo starshade. La máxima complicación es el movimiento para tapar las estrellas deseadas.

Otras áreas de investigación

Con este telescopio se lograrán avances en todas las áreas de la astrofísica. Un telescopio con su sensibilidad, resolución y estabilidad transformará la actual comprensión sobre cómo las galaxias evolucionan, se forman estrellas y planetas.

Con su potencia de alta definición, tiene la asombrosa capacidad para tomar una imagen óptica o espectro con una resolución espacial de aproximadamente 100 parsec (300 años-luz) o mejor, para cualquier objeto visible aun del otro lado del Universo. Este umbral de 100 parsec es la escala necesaria para ver la formación de estrellas y como evolucionan los satélites de los enanos que constituyentes de las galaxias.

En la galaxia de Andromeda podría definir objetos del tamaño de la mitad del Sistema Solar. Podría ver el disco de algunas estrellas supergigantes a esa distancia!!!

¿Otra comparación? Podría ver a la Tierra como un disco aun a 2 mil Unidades Astronómicas…. (500 veces la distancia a Plutón).

HDST usará tecnologías que ya han sido ampliamente aprovechadas con el Telescopio Espacial Hubble (lanzamiento 1990), el Telescopio Espacial Spitzer (2003), el Telescopio Espacial James Webb (2018), y el WFIRST/AFTA (un telescopio a ser lanzado en la década de 2020).

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Imagen simulada de una galaxia a 10 mil millones de años-luz. A la izquierda, como la ve el Hubble. A la derecha, el HDST (5 veces mas resolución)

HDST operará a temperaturas mucho más cálidas que JWST. Esta diferencia permitirá utilizar materiales ópticos de bajo costo, que tienen menos estrés térmico, lo que simplificará los componentes y el diseño, la fabricación y prueba, lo que reducirá los costos, muchos de los cuales tuvieron que hacerse bajo condiciones criogénicas para el JWST.

El proyecto tendrá un costo de 10 mil millones de dolares, y se presupone que estará en órbita entre el 2030 y 2035.