WFIRST utilizará la deformación del espacio-tiempo para ayudar a encontrar exoplanetas.

WFIRST realizará observaciones de microlente en la dirección del centro de la galaxia de la Vía Láctea.  La mayor densidad de estrellas producirá más detecciones de exoplanetas. 
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Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Laboratorio CI.

La misión de la NASA identificará planetas con órbitas grandes, similares a los gigantes lejanos de nuestro Sistema Solar, Urano y Neptuno.

El Telescopio de reconocimiento infrarrojo de campo amplio de la NASA (WFIRST, Wide Field Infrared Survey Telescope ) 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  exoplanetarios 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 de Exoplanetas en Transito (TESS) completará el primer censo planetario que es sensible a una amplia gama de masas y órbitas planetarias, lo que nos acerca un paso más para descubrir mundos habitables similares a la Tierra más allá del 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 la 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 que ocurre una vez en un millón de observaciones, 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 el tejido del espacio-tiempo, como la deformación que produce una bola de bowling 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.

Cada vez que dos estrellas se alinean estrechamente desde nuestro punto de vista, la luz de la estrella más distante se curva 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.

Esta animación ilustra el concepto de microlente gravitacional. 
Cuando una estrella en el cielo parece pasar casi frente a otra, los rayos de luz de la estrella fuente de fondo se doblan debido al espacio-tiempo deformado alrededor de la estrella en primer plano. Esta estrella es entonces una lupa virtual, que amplifica el brillo de la estrella fuente de fondo, por lo que nos referimos a la estrella en primer plano como la estrella de la lente. Si la estrella de la lente alberga un sistema planetario, esos planetas también pueden actuar como lentes, cada uno de los cuales produce una pequeña desviación en el brillo de la fuente. Así descubrimos la presencia de exoplanetas y medimos su masa y separación de su estrella.

Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Laboratorio CI .

Los planetas que orbitan alrededor de la estrella en primer plano también pueden modificar el camino de la luz como una 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 la microlente para descubrir nuevos mundos.

Esta animación ilustra dos formas en que un evento de microlente gravitacional podría verse por 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: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Laboratorio CI.
Este par de animaciones compara señales de dos métodos de detección de planetas: microlente (arriba) y tránsito (abajo) para planetas de alta y baja masa. 
Las señales de microlente de planetas pequeños son raras y breves, pero son más fuertes que las señales de otros métodos.
Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Laboratorio CI

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 del sondeo 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.

El sondeo 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 ponerlo fuera del alcance de la misión. WFIRST encontrará planetas con 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.

Gemas Ocultas en el Núcleo Galáctico.

WFIRST explorará regiones de la galaxia que aún no han sido estudiadas sistemáticamente en la búsqueda de 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 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 de exoplanetas en gran parte inexplorado. Un sondeo de microlente realizado 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.

El sondeo 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 revisarlos 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 sondeo actual con UKIRT está sentando las bases para que WFIRST pueda implementar el primer sondeo de microlente dedicado basado en el espacio», dijo Savannah Jacklin, Astrónoma de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee, quien dirigió 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».

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 masivas como para encender 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) que quedan 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 (Año Fiscal 2020) 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 a proceder con otro telescopio multimillonario hasta que el Webb se haya lanzado e implementado con éxito.

WFIRST se gestiona en Goddard, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech / IPAC en Pasadena, el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo científico compuesto por científicos de instituciones de investigación en los Estados Unidos.

Para obtener más información sobre WFIRST, visite:

https://www.nasa.gov/content/goddard/wfirst-wide-field-infrared-survey-telescope

Fuente: NASA / JPL – Calthec.

Artículo original: «WFIRST Will Use Warped Space-time to Help Find Exoplanets«. Ashley Balzer. NASA’s Goddard Space Flight Center. April1, 2020.

Material relacionado:

El primer ejemplo de Lente Gravitatoria: El Sol.

El Eclipse de 1919 y la primera comprobación Experimental de la Teoría de la Relatividaddieron inicio a este campo de estudio. La introducción del siguiente trabajo contiene artículos al repecto:

Los siguientes artículos pretenden ilustrar el método aplicado a la búsqueda de exoplanetas, sus limitaciones y su empleo:

El método de las microlentes, no da la masa de la lente. El trabajo que se presenta en el siguiente artículo, proporciona un método para hacerlo, siendo además muy instructivo porque repasa en detalle el procedimiento general:

¿Cuántos exoplanetas se han descubierto usando microlentes?

El objetivo del siguiente trabajo publicado en 2012, fue determinar la distribución de planetas en toda la galaxia, desglosada por masa y semieje mayor, a partir de datos obtenidos por microlente. Las sondeos anteriores se han centrado en los datos del Doppler (velocidad radial) y los métodos de tránsito, que están sesgados para detectar preferentemente los planetas calientes cercanos a su estrella. La microlente, en contraste, es ideal para encontrar planetas lejos de sus estrellas anfitrionas:

Recursos:

«El siguiente trabajo es una carta de recursos que proporciona una guía para una selección de la literatura sobre lentes gravitacionales y sus aplicaciones. Se citan artículos de revistas, libros, artículos populares y sitios web para los siguientes temas: fundamentos de la Lente Gravitacional, Fundamentos de la Cosmología, Historia de la Lente Gravitacional, Lentes Fuertes, Lentes Débiles y Microlentes«:

Otros artículos:

A continuación ponemos el resumen introductorio del trabajo citado inmediatamente abajo, que si bien es de caracter avanzado, el lector general puede rescatar unos cuantos puntos importantes, interpretar los diagramas, etc.:

«En ningún otro campo de la Astrofísica, el impacto de la nueva instrumentación ha sido tan sustancial como en el dominio de los Exoplanetas. Antes de 1995 nuestro conocimiento sobre exoplanetas se basaba principalmente enconsideraciones filosóficas y teóricas. Los años siguientes han sido marcados, en cambio, por descubrimientos sorprendentes hechos posibles por instrumentos de alta precisión. Más recientemente la disponibilidad de nuevas técnicas movió el foco de la detección a la caracterización de exoplanetas. La próxima generación de instalaciones producirán datos aún más complementarios que conducirán a una vista de las características del exoplaneta y que mediante la comparación con los modelos teóricos, permitirán una mejor comprensión de la Formación de los planetas»:

Curiosidades:

La Astronomía de Ondas Gravitacionales y la Detección de Exoplanetas.

Representación artística de ondas gravitacionales producidas por un sistema compacto binario de enana blanca con un compañero planetario de masa joviana. 
Crédito: © Simonluca Definis.

EL fenómeno físico de las Microlentes, se enmarca en la teoría de la Gravedad de la Relatividad General. ¿Existirá alguna otra herramienta que nos brinde esta teoría para la detección de exoplanetas?

Para ello, dos científicos europeos están analizando las posibilidades de utilizar la Astronomía de Ondas Gravitacionales, mirando hacia el lanzamiento, en la década de 2030, de LISA, la antena espacial con interferómetro láser de la ESA. EL objetivo, son los exoplanetas en sistemas binarios de enanas blancas. El siguiente artículo lo presenta:

En la misma línea de la utilización de las Ondas Gravitacionales en la detección de exoplanetas está el siguiente trabajo:

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