WFIRST utilizará el espacio-tiempo deformado para ayudar a encontrar exoplanetas.


WFIRST realizará sus 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. 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 Estudio Infrarrojo de Campo Amplio de la NASA (WFIRST) 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 de los exoplanetas 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 sensible a una amplia gama de masas y órbitas planetarias, lo que nos acerca un paso más a descubrir mundos habitables similares a la Tierra más allá del nuestro propio.

Hasta la fecha, los astrónomos han encontrado la mayoría de los exoplanetas 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 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 en un millón, 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: distancias orbitales donde los planetas pueden mantener agua líquida en sus superficies.

  • Microlente 101

Este efecto ocurre cuando la luz pasa cerca de un objeto masivo. Cualquier cosa con masa deforma la tela del espacio-tiempo, algo así como la abolladura que hace una bola 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 por 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 e intensificando la luz de la estrella de fondo.

Los planetas que orbitan alrededor de la estrella en primer plano también pueden modificar la luz de lente, actuando como sus propias lentes diminutas. La distorsión que crean permite a los astrónomos medir la masa y la distancia del planeta a su estrella anfitriona. Así es como WFIRST usará microlente para descubrir nuevos mundos.

  • 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 pero con órbitas mucho más pequeñas que las de Mercurio. Para un sistema solar como el nuestro, los estudios de tránsito podrían pasar por alto otros 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 ponerla fuera del alcance de la misión. WFIRST encontrará planetas que son 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 exploradas sistemáticamente para encontrar 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, observará 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 en gran parte inexplorado en exoplanetas. Un sondeo de microlente realizado desde 2015 utilizando el Telescopio infrarrojo del Reino Unido (UKIRT) en Hawai está allanando el camino, al mapear la región, del censo de exoplanetas de WFIRST.

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 peinarlos 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.

“Nuestro sondeo actual con UKIRT está sentando las bases para que WFIRST pueda implementar la primera búsqueda dedicada a microlente basada 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 más 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 búsqueda 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 grandes como para encenderse 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.

“El sondeo 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 interna 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 financia el programa WFIRST hasta septiembre de 2020. La solicitud de presupuesto para el FY2021 propone finalizar la financiación de la misión WFIRST y centrarse en la finalización del Telescopio Espacial James Webb, que ahora se planea lanzar en marzo de 2021. La Administración no está lista para comenzar con otro telescopio multimillonario hasta que 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 de los Estados Unidos.