NESSI surge como una nueva herramienta para estudiar atmósferas de exoplanetas.


El telescopio Hale está ubicado en la montaña Palomar en el condado de San Diego, California. Crédito: NASA / JPL-Caltech

El instrumento infrarrojo del telescopio Hale del Observatorio Palomar tiene la promesa de profundizar nuestra comprensión de los planetas más allá de nuestro Sol.

La oscuridad que rodea el telescopio Hale se rompe con una franja de cielo azul cuando la cúpula comienza a abrirse, chirriando con sonidos metálicos de ciencia ficción sobre la montaña Palomar del condado de San Diego. El observatorio histórico huele a petróleo bombeado para soportar los cojinetes que hacen que este telescopio gigante flote muy ligeramente mientras se mueve para rastrear las estrellas.

Desde febrero de 2018, los científicos han estado probando un instrumento en el Telescopio Hale llamado Instrumento de Estudio Espectroscópico de Exoplanetas de Nuevo México, o NESSI. Una colaboración entre el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, y el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México, NESSI fue construida para examinar las atmósferas de los planetas que orbitan estrellas más allá de nuestro Sol, o exoplanetas, proporcionando nuevas ideas sobre cómo son estos mundos.

Hasta ahora, NESSI ha examinado dos “Júpiter calientes”, gigantes de gas masivos que orbitan cerca de sus estrellas y demasiado abrasadores para mantener la vida. Uno, llamado HD 189773b, tiene temperaturas y vientos tan extremos que puede llover vidrio lateralmente allí. El otro, WASP-33b, tiene una capa “protector solar” de la atmósfera, con moléculas que absorben la luz ultravioleta y visible.

Recientemente, NESSI observó estos planetas cruzando sus estrellas anfitrionas, demostrando que el instrumento podría ayudar a confirmar posibles planetas previamente observados por otros telescopios. Ahora está listo para estudios más detallados de primos lejanos de nuestro Sistema Solar. Y aunque el instrumento está diseñado para mirar planetas mucho más grandes que la Tierra, los métodos de NESSI podrían usarse para buscar planetas del tamaño de la Tierra una vez que las tecnologías futuras estén disponibles.

“NESSI es una herramienta poderosa para ayudarnos a conocer a la familia”, dijo Mark Swain, astrofísico y líder del JPL para NESSI. “Hace veinticinco años, hasta donde sabemos, pensábamos que estábamos solos. Ahora sabemos que, al menos en términos de planetas, no lo estamos, y que esta familia es extensa y muy diversa”.

Por qué NESSI

NESSI ve la galaxia en luz infrarroja, que es invisible para el ojo humano. Mira fijamente a las estrellas individuales para observar el oscurecimiento de la luz cuando un planeta pasa frente a su estrella anfitriona, un evento llamado tránsito. Del tránsito, los astrónomos pueden aprender qué tamaño tiene el planeta en relación con su estrella anfitriona. Cuando el planeta pasa directamente detrás de la estrella y vuelve a emerger, se llama eclipse. NESSI puede buscar firmas de moléculas de la atmósfera del planeta detectables a la luz de las estrellas antes y después del eclipse.

Dentro de NESSI, los dispositivos que enfocan la luz infrarroja la extienden en un arco iris o espectro, filtrándola para longitudes de onda particulares que se relacionan con la química atmosférica de planetas distantes.

“Podemos seleccionar las partes del espectro donde están las moléculas, porque eso es realmente lo que estamos buscando en el infrarrojo en estos exoplanetas: firmas moleculares como el dióxido de carbono y el agua y el metano, para reflejar que hay algo interesante en marcha en ese planeta en particular “, dijo Michelle Creech-Eakman, investigadora principal de NESSI en New Mexico Tech.

NESSI está equipado para dar seguimiento a los descubrimientos de otros observatorios, como el Satélite de Estudio de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA. TESS escanea todo el cielo en luz visible en busca de planetas alrededor de estrellas brillantes y cercanas, pero los candidatos a planetas que descubra deben confirmarse a través de otros métodos. Eso es para asegurarse de que estas señales que TESS detecta en realidad provienen de tránsitos planetarios, no de otras fuentes.

NESSI también puede ayudar a tender un puente entre la ciencia de TESS y el telescopio espacial James Webb de la NASA, programado para lanzarse en 2021. El observatorio espacial más grande y complejo que jamás haya volado, Webb estudiará planetas individuales para conocer sus atmósferas y si contienen moléculas asociadas con habitabilidad. Pero dado que el tiempo de Webb será precioso, los científicos quieren señalarlo solo a los objetivos más interesantes y accesibles. Por ejemplo, si NESSI no ve firmas moleculares alrededor de un planeta, eso implica que las nubes están bloqueando su atmósfera, por lo que es poco probable que sea un buen objetivo para Webb.

“Esto nos ayuda a ver si un planeta está despejado, nublado o brumoso”, dijo Rob Zellem, astrofísico y responsable de la puesta en marcha del JPL en NESSI. “Y si está claro, veremos las moléculas. Y si luego vemos las moléculas, dirán, ‘Oye, es un gran objetivo para mirar con James Webb o Hubble o cualquier otra cosa'”.

Una ventana a la galaxia

NESSI comenzó como un concepto en 2008 cuando Swain visitó la clase de astrobiología de Creech-Eakman en New Mexico Tech. Mientras tomaba un café, Swain le contó a su colega sobre las observaciones de exoplanetas que había hecho con un telescopio terrestre que no resultó bien. Creech-Eakman se dio cuenta de que un instrumento diferente combinado con el telescopio adecuado podría lograr los objetivos de Swain. En una servilleta, los dos bosquejaron una idea de lo que se convertiría en NESSI.

Diseñaron el instrumento para el Observatorio Magdalena Ridge en Magdalena, Nuevo México. Pero una vez que los investigadores comenzaron a usarlo en abril de 2014, el instrumento no funcionó como se esperaba.

Swain sugirió trasladar NESSI al telescopio Hale de 200 pulgadas de Palomar, que es mucho más grande y potente, y también más accesible para el equipo. Propiedad y operado por Caltech, que administra JPL para la NASA, Palomar ha proporcionado noches de observación para investigadores de JPL.

La reubicación de NESSI, un dispositivo cilíndrico azul de 1,5 metros de altura, con cables que salen de él, no fue solo una cuestión de colocarlo en un camión y conducir hacia el suroeste. Los sistemas eléctricos y ópticos necesitaban ser reelaborados para su nuevo host y luego volver a probarse. NESSI también necesitaba una forma de comunicarse con un telescopio diferente, por lo que el estudiante de doctorado de la Universidad de Arizona, Kyle Pearson, desarrolló un software para operar el instrumento en Palomar. A principios de 2018, NESSI estaba listo para escalar la montaña.

Una grúa levantó NESSI más de 30 metros a la parte superior del telescopio Hale el 1 de febrero de 2018. Los técnicos instalaron el instrumento en una “jaula” en el foco principal del Hale, que permite que toda la luz del telescopio de 530 toneladas sea canalizado a los detectores de NESSI.

El equipo celebró la observación de la primera estrella de NESSI, el 2 de febrero de 2018, pero entre el tiempo limitado del telescopio y el clima voluble, pasaría más de un año de pruebas y resolución de problemas.

“Localizamos los problemas y los solucionamos. Ese es el nombre del juego”, dijo Creech-Eakman.

A medida que el equipo continuó haciendo ajustes en 2019, Swain llamó a un estudiante de secundaria local para diseñar un deflector, un dispositivo cilíndrico para ayudar a dirigir más luz a los sensores de NESSI. Esta pieza se imprimió en 3D en el taller de máquinas de JPL.

Cuando NESSI finalmente detectó planetas en tránsito el 11 de septiembre de 2019, el equipo no se detuvo para abrir champán. Los investigadores ahora están trabajando en las mediciones de la atmósfera de HD 189773b. El equipo también ha compilado una lista de exoplanetas con los que continuarán.

“Es realmente gratificante, finalmente, ver que todo nuestro arduo trabajo está dando sus frutos y que estamos haciendo que NESSI trabaje”, dijo Zellem. “Ha sido un largo viaje, y es realmente gratificante ver que esto suceda, especialmente en tiempo real”.