¿Qué viene después de Webb? El telescopio cazador de planetas de próxima generación de la NASA

Cuando se trata de construir telescopios espaciales enormes y complejos, las agencias como la NASA tienen que planificar con mucha antelación. Aunque el telescopio espacial James Webb se lanzó recientemente, los astrónomos ya están ocupados pensando en lo que vendrá después de Webb, y tienen planes ambiciosos.

El gran plan para las próximas décadas de investigación astronómica es encontrar planetas habitables y tal vez incluso buscar signos de vida más allá de la Tierra. Ese es el elevado objetivo del Observatorio de Mundos Habitables, un telescopio espacial actualmente en fase de planificación que tiene como objetivo descubrir 25 planetas similares a la Tierra alrededor de estrellas similares al Sol.

Hablamos con dos de los científicos que trabajan en los planes para este telescopio espacial de próxima generación para obtener más información.

El poder de la imagen directa

Uno de los grandes desafíos para encontrar planetas habitables más allá de nuestro sistema solar es este: rara vez podemos ver estos planetas lejanos directamente, porque los planetas son muy pequeños y tenues en comparación con las estrellas. Entonces, para identificar un exoplaneta, los astrónomos generalmente infieren su existencia debido a sus efectos en su estrella anfitriona. Actualmente, las herramientas como los telescopios espaciales Hubble o James Webb suelen buscar caídas en el brillo de una estrella cuando un planeta pasa frente a ella, lo que se denomina tránsito, o buscan un bamboleo de la estrella causado por la gravedad del planeta. llamado método de la velocidad radial.

Esos métodos nos dan pistas, pero para comprender realmente los exoplanetas en profundidad, necesitamos poder visualizarlos directamente. Los telescopios actuales rara vez pueden hacer esto porque requiere un alto nivel de precisión, pero los científicos ya están planeando una próxima generación de telescopios espaciales que podrán tomar imágenes de exoplanetas.

El próximo gran telescopio espacial que se lanzará es el Telescopio espacial romano Nancy Grace, cuyo lanzamiento está programado para 2027. Realizará un estudio del cielo para estimar cuántos exoplanetas habitables hay. Después de eso, viene el Observatorio Mundial Habitable, un telescopio espacial planificado que obtendrá imágenes directas de exoplanetas similares a la Tierra alrededor de estrellas similares al Sol y que debería lanzarse alrededor de 2040. Esta será la mejor oportunidad que tendremos hasta la fecha de descubrir planetas habitables similares a la Tierra. mundos donde podríamos buscar evidencia de vida más allá de la Tierra.

Elegir la longitud de onda adecuada

Si ha seguido las noticias sobre el telescopio espacial James Webb, probablemente haya escuchado que mira en la parte infrarroja del espectro electromagnético. Eso es esencial para su objetivo de estudiar las primeras galaxias, ya que permite a los científicos ver galaxias con altos niveles de corrimiento al rojo. Los infrarrojos también son útiles para mirar a través de nubes de polvo y ver estructuras que de otro modo estarían ocultas.

El plan para el Observatorio de Mundos Habitables, sin embargo, es mirar en las longitudes de onda óptica y ultravioleta. Estas longitudes de onda son útiles para identificar las firmas de átomos específicos como el hidrógeno o el oxígeno, de modo que podamos apuntar nuestros instrumentos hacia un planeta y aprender de qué está compuesta su atmósfera.

Hay todo tipo de opciones para qué átomos o compuestos particulares podríamos buscar, pero el oxígeno es la opción principal en este momento para lo que se llama un biomarcador, o una pista que indica la presencia potencial de vida. Detectar oxígeno en un planeta distante puede ser una señal de que merece una inspección más profunda.

"No existe una firma biomarcadora perfecta", dijo David Sing de la Universidad Johns Hopkins, ya que también podríamos buscar átomos como el metano, y siempre existe la posibilidad de un falso positivo, "pero el oxígeno es realmente importante".

El oxígeno también emite una señal muy fuerte, lo que lo hace relativamente más fácil de detectar. En particular, el ozono, que es una variación del oxígeno con tres átomos unidos, tiene una firma muy fuerte en la longitud de onda ultravioleta. Piense en cómo la capa de ozono en la Tierra nos protege de la radiación ultravioleta del sol, y podrá ver cómo los científicos pueden inferir la presencia de ozono en un planeta distante si ven que se bloquea una longitud de onda particular de la luz ultravioleta.

Cómo construir un telescopio óptico/UV

Con su enfoque en longitudes de onda ópticas y ultravioleta, el Observatorio de Mundos Habitables será más similar al Telescopio Espacial Hubble que al Telescopio Espacial James Webb. Y eso trae algunas ventajas en términos de cómo se construye un telescopio.

Los telescopios infrarrojos como Webb son muy sensibles a la temperatura (porque cuando las cosas se calientan, emiten radiación infrarroja). Entonces, para que funcione con precisión, Webb debe enfriarse a temperaturas de funcionamiento extremadamente bajas de solo unos pocos Kelvin para algunos instrumentos. Eso hace que el telescopio sea más complejo y costoso de construir, ya que requiere un sistema de enfriamiento criogénico.

Para un telescopio como el Observatorio de Mundos Habitables, ese tipo de enfriamiento extremo no es necesario, lo que ayuda a mantener bajos los costos.

Otra diferencia clave entre los telescopios infrarrojos como Webb y los telescopios ópticos/ultravioleta como el Observatorio de Mundos Habitables es el espejo. El espejo principal de Webb está recubierto de oro, que refleja muy bien la luz infrarroja. Pero un telescopio óptico/ultravioleta tiene un espejo recubierto de plata, que es más eficiente para reflejar esas longitudes de onda.

Nuevas tecnologías para una nueva década

De alguna manera, ya sabemos exactamente qué tipo de instrumentos se requerirán para buscar mundos habitables, ya que se trata de actualizaciones de los instrumentos existentes en lugar de conceptos completamente nuevos.

Por ejemplo, los instrumentos de Habitable Worlds serán algo similares a los de James Webb o Hubble, ya que consistirán en cámaras y espectrógrafos. Las cámaras se utilizarán para buscar exoplanetas en otros sistemas estelares y, una vez que se haya identificado un planeta, se podrá estudiar con más profundidad utilizando los espectrógrafos. Los espectrógrafos funcionan dividiendo la luz entrante en diferentes longitudes de onda, para ver qué longitudes de onda han sido absorbidas. Eso te dice de qué está compuesto el objeto que estás mirando, y así es como puedes ver si un exoplaneta tiene una atmósfera y de qué está hecha esa atmósfera.

Refinar estos instrumentos y hacerlos más precisos no es un esfuerzo trivial. Además de la detección directa, la próxima generación de telescopios espaciales también utilizará técnicas como la velocidad radial para identificar exoplanetas. Y los espectrógrafos más precisos permitirán técnicas como la velocidad radial de precisión extrema, que permite mediciones más precisas de las masas de los exoplanetas que orbitan estrellas similares al Sol.

Pero también se requieren más avances teóricos. Un factor importante necesario para mejorar nuestra comprensión de los exoplanetas, por ejemplo, es mejorar nuestra comprensión de las estrellas. Las estrellas pueden volverse más brillantes o más tenues por todo tipo de razones, y necesitamos poder modelar esto con mayor precisión si queremos determinar si una variación es causada por la presencia de un exoplaneta o se debe a la variación de la estrella.

A la caza de la habitabilidad

Sin embargo, incluso con un telescopio nuevo equipado con tecnología nueva, no será fácil encontrar vida más allá de nuestro sistema solar. Esto se debe a que la habitabilidad es un concepto complejo que requiere más que solo identificar un planeta similar a la Tierra que orbita alrededor de una estrella similar al Sol.

“Un planeta que parece tener el brillo adecuado para ser un planeta del tamaño de la Tierra, que tiene una órbita aproximadamente circular en lo que llamaríamos la zona habitable, muestra alguna evidencia de vapor de agua, tal vez algo de oxígeno, no hay un planeta gigante interior. eso ha agitado las cosas, la estrella no está demasiado activa; ese es el tipo de sistema que esperamos encontrar como candidato para un planeta potencialmente habitable”, dijo Scott Gaudi de la Universidad Estatal de Ohio.

Pero por muy tentador que sea imaginar un escenario en el que construyamos este telescopio, encontremos un planeta habitable e inmediatamente detectemos vida, no es así como funcionará, dijo Gaudí.

Para buscar adecuadamente exoplanetas habitables, "realmente tenemos que obtener todo el contexto, lo que significa estudiar los otros planetas en los sistemas, los discos de escombros, estudiar las estrellas", dijo Gaudí. “Eso es lo que realmente nos ayudará a comprender si estos planetas son realmente habitables o no”.

Existe la tentación de imaginar que “vamos a construir el Observatorio de Mundos Habitables, vamos a encontrar vida y hemos terminado”, dijo Gaudí, pero “no va a funcionar de esa manera. Si tenemos suerte, encontraremos uno o dos, tal vez tres, sistemas que parezcan bastante prometedores. Y luego vamos a tener que construir algo aún más grande y mejor”.

Un esfuerzo multigeneracional

Incluso si somos capaces de encontrar el sistema de aspecto ideal con un mundo similar a la Tierra potencialmente habitable, entonces el siguiente paso sería observar factores aún más avanzados, como qué parte del planeta está cubierta por océanos y cuánto es masa de tierra. La búsqueda de vida no es algo que vaya a resolverse pronto, pero los científicos ahora están sentando las bases para que el Observatorio de Mundos Habitables asuma la siguiente parte del trabajo dentro de 20 años.

Eso es similar a la forma en que la planificación del Telescopio Espacial James Webb comenzó alrededor del año 2000, y los científicos de hoy apenas comienzan a poder utilizar esta herramienta para el descubrimiento.

“Hace varias décadas, yo era solo un joven estudiante. Pero he cosechado las recompensas de todo ese arduo trabajo que la gente hizo en ese momento”, dijo Sing. “Y esa generación de científicos se sintió así porque la gente lo hizo por ellos con el Telescopio Espacial Hubble. Así que existe este legado en el que estás cosechando las recompensas de lo que hicieron los científicos senior hace 20 años. Y quieres asegurarte de que ese legado continúe dentro de 20 años”.

Porque preguntarse si podría existir vida más allá de la Tierra es una de las preguntas más profundas que enfrenta la ciencia hoy en día, y no se resolverá rápidamente. El Observatorio de Mundos Habitables es el siguiente paso en ese viaje, pero no será el punto final.

“Este es un esfuerzo multigeneracional, probablemente de varios siglos, en el que estamos”, dijo Gaudí. “Y creo que debemos ser optimistas sobre ese proceso, pero también debemos ser humildes”.