En busca de una vida extranjera con el sol como telescopio gravitacional

La astronomía es sin duda uno de los temas más apasionantes de la física. En particular, la búsqueda de exoplanetas ha florecido en las últimas décadas. Si bien el primer exoplaneta se descubrió solo en 1992, ahora hay 4.144 exoplanetas confirmados (al 2 de abril de 2020). Naturalmente, los amantes de la ciencia ficción estamos más interesados ​​en los 55 posibles exoplanetas habitables. Desafortunadamente, tomar una foto de Tierra 2.0 con suficiente detalle para identificar posibles características de la vida no es posible con telescopios convencionales.

La misión de una lente gravitacional solar, que fue seleccionada recientemente para financiar la fase III del programa Conceptos Avanzados Innovadores de la NASA (NIAC), tiene como objetivo cambiar eso aprovechando el efecto de lente gravitacional del Sol.

Todo empezó con Einstein

Lente gravitacional fuerte LRG 3-757 según el Telescopio Espacial Hubble (Crédito: NASA)

No es de extrañar que Einstein calculó en 1936 que el campo gravitacional de una estrella puede actuar como una lente. Si un objeto está ubicado detrás de la estrella en la misma línea de visión que el observador, la imagen resultante formará un anillo, actualmente llamado Anillo de einstein. No fue hasta 1979 que se descubrió el efecto cuando a dos objetos sospechosamente similares se les mostró una imagen doble formada por una lente gravitacional. Hoy en día, las lentes gravitacionales se utilizan para cuantificar la cantidad y distribución de materia oscura. Como se sugiere en la introducción, debido al refuerzo brillante causado por una lente gravitacional, también puede servir como una especie de telescopio de gravedad, permitiendo la detección de galaxias débiles del Universo temprano.

La inteligencia artificial y los científicos ciudadanos ayudan a encontrar Pines en el pajar

Las lentes gravitacionales son bastante raras y, por lo general, hay que mirar mil imágenes galácticas diferentes para encontrar una. Además, reconocer y revelar la distorsión de una lente gravitacional en una imagen no es una tarea trivial. Por lo tanto, el proyecto de deformación espacial se basó en científicos ciudadanos para identificar lentes gravitacionales dentro de los datos tomados de Hyper Suprime-Cam. (¡Los astrónomos eligen nombres épicos!) Los algoritmos de aprendizaje automático también se pueden utilizar para buscar los datos de estudios astronómicos. En particular, las redes neuronales intrincadas, que también son la base del reconocimiento facial DeepFace de Facebook, se han utilizado para identificar lentes gravitacionales.

Usando el sol como Lenson

Concepto para una misión Lente gravitacional solar (Crédito: The Aerospace Corporation)

A diferencia de una lente óptica, una lente gravitacional no produce un solo foco sino una línea focal. Como se muestra en la imagen, la lente de gravedad solar (SGL) enfoca la luz entrante en una línea que comienza a una distancia de ~ 550 AU. Si se colocara un telescopio en este punto, el SGL podría aumentar el brillo de un objeto distante en un factor de 101011 y ofrecer una resolución angular de 1010-10 segundos de arco. Para una ex-Tierra a 30 parsecs (~ 100 años luz), el telescopio SGL podría alcanzar una resolución de superficie de ~ 25 km de escala, suficiente para ver las características de la superficie y los signos de habitabilidad.

Cuerda de perlas equipada con velas solares

Representación artística de una imagen de un planeta terrestre realizada con el telescopio SGL (Crédito: Slava Turyshev)

El concepto de la misión SGL está muy bien explicado en el video incluido a continuación. Primero, uno de los mayores problemas es llegar al punto focal del Sol. La nave espacial Voyager 1 más lejana lanzada en 1977 se encuentra actualmente a 148 AU, es decir, a la misma velocidad, se necesitarían más de 150 años para alcanzar el punto focal SGL más cercano. Debido a la velocidad requerida y la larga vida útil, las técnicas de propulsión química y nuclear actuales son inadecuadas. En cambio, la misión SGL utilizará velas solares impulsadas por la presión de radio del Sol. Volando cerca del Sol, la nave espacial SGL podría alcanzar una velocidad de 25 AU / año, alcanzando la región focal SGL en menos de 25 años de tiempo total de vuelo.

El uso de una sola nave espacial no sería práctico para la misión SGL debido al alto riesgo de falla durante el vuelo largo. En cambio, el concepto de misión sigue un cadenas de perlas un enfoque donde una perla consta de 10 a 20 pequeñas naves espaciales (pequeños sats) con un peso

Cada pequeña saciedad debe funcionar en gran medida de forma independiente, lo que se vuelve más importante cuanto más se aleja de la Tierra. La latencia final de la comunicación SGL es de aproximadamente cuatro días. Para lograr la navegación autónoma, el procesamiento de datos y la gestión de fallas, la misión SGL se basa en varias tecnologías de inteligencia artificial emergentes y abarca muchas palabras como IA explicable, Máquinas de aprendizaje permanente, Aprenda con menos etiquetas, y Neuromórfico diseño de chip.

También surgen desafíos para los instrumentos de imagen. Se utiliza un cronógrafo, hecho de una máscara de fase que funciona por interferencia destructiva, para bloquear la luz directa de nuestro Sol. Esto todavía deja la luz de la corona solar como fondo, que se superpondrá con el anillo de Einstein. Para reducir esta superposición, el telescopio debe ubicarse aún más lejos del Sol a aproximadamente 650 AU. Eventualmente, el telescopio no será lo suficientemente grande para visualizar todo el anillo de Einstein a la vez. La imagen de un exoplaneta terrestre a 30 parsecs es comprimida por el SGL en un cilindro con un diámetro de ~ 1.3 km en las inmediaciones de la línea focal. Para que un telescopio de 1 m obtenga una imagen de 1000 x 1000 píxeles, la nave espacial tendría que escanear esta área un píxel a la vez moviéndose en pequeños pasos de 1,3 m. Luego, la imagen original del exoplaneta se reconstruye utilizando un algoritmo de desenrollado.

¿Cuándo llegaremos?

Entonces, ¿cuándo obtendremos la primera imagen de alta resolución de un exoplaneta? Naturalmente, los plazos para estos proyectos científicos integrales son muy imprecisos y pueden cambiar fácilmente de 5 a 10 años. En el informe resumido de la fase II se afirma que el desarrollo tecnológico restante permitiría el lanzamiento en 2028-2030. Siendo realistas, esto significa que podríamos obtener los primeros datos alrededor de principios de la década de 2060.

¿Qué planeta mirarán? Como probablemente habrá varios planetas nuevos posiblemente habitables antes de que la misión SGL alcance su objetivo, el objetivo aún no se ha establecido. Actualmente uno de los candidatos más prometedores es TRAPPIST-1e, un planeta rocoso, casi terrestre, ubicado a una distancia de 12,1 parsecs, que también puede contener agua líquida. El planeta será observado más de cerca por el telescopio espacial James Webb, cuyo lanzamiento está previsto para el próximo año.

¿Qué buscarán? La verificación de los signos de habitabilidad incluirá una investigación espectroscópica de la atmósfera para buscar biomarcadores como el oxígeno y el metano. También será posible buscar fuentes de luz artificial por la noche, así como transmisiones de radio.

El Sol no solo ha permitido la vida en la Tierra, sino que también puede servir como una herramienta para buscar vida en otros planetas. Es muy emocionante que la pregunta "¿Estamos solos en el Universo?" se puede responder con una negativa durante nuestra vida. Esto hace que te preguntes cuántos telescopios similares ya nos están mostrando.

  • Rex dice:

    Alguien está soñando. Ni siquiera podemos insertar el telescopio espacial James Webb en el espacio, ¿cuáles son las posibilidades de que vuele alguna vez?

    • karulo dice:

      Sin embargo, incluso si está volando, el mayor problema es que debe moverse una gran distancia para observar algún ** otro ** objetivo (porque el sol tiene que permanecer en la dirección, eso significa moverse en un círculo con un radio de 650AU). Entonces, si su apuesta inicial por un exoplaneta no es suficiente, debe esperar unos 50 años para estar "enfocado" en otro objetivo posible.

      De hecho, estos pequeños sátiros no pueden regresar a la Tierra, solo deberían almacenar suficiente masa para detenerse cuando alcancen su posición esperada (¿es eso posible?). Eso hace que todo el proceso sea "una experiencia extremadamente costosa y demasiado arriesgada de realizar".

      • Sr. Nada dice:

        Creo que aún funcionaría investigando una órbita muy excéntrica, ya que las naves espaciales en tales trayectorias tienden a permanecer en su afelio durante mucho tiempo. usar la misma sonda para visualizar otro exoplaneta requeriría que regresara y hiciera una pequeña corrección de rumbo y perihelio. Tendría más sentido enviar varias misiones paralelas a diferentes focos.

        • Jbb dice:

          Creo que los satélites no entrarían en órbita solar. Se arrojan _ muy fuerte_ inmediatamente con el sol, luego se toman fotografías mientras vuelan por el punto dulce.

          Si este es el caso, entonces la primera nube de satélites visualizaría los objetivos alrededor de la estrella A, la segunda nube podría lanzarse en un ángulo diferente para obtener imágenes de los objetivos alrededor de la estrella B, y así sucesivamente.

          Los costos serían lo suficientemente altos para cada objetivo, pero el rendimiento es ridículo.

          También tenga en cuenta que el video habla de telescopios de 1 metro que son mucho más fáciles de construir y lanzar que James Webb.

    • Pensador dice:

      Esto también tiene un elemento "social", asumiendo la casa de alguien.

      ¿Qué haríamos en nuestro estado actual si una serie de naves espaciales no tripuladas con material fisionable (no olvide los generadores termoeléctricos de isótopos para mantener todo caliente y eléctrico) apareciera en nuestra puerta?

      La respuesta reflexiva sería "Examínelo para tratar de averiguar quién lo envió y por qué", pero hay mucha irreflexión en el universo. Parte de ella es siempre local.

      • MinorHavoc dice:

        ¿Qué? Solo visualizaríamos TRAPPIST-1e sin enviarle los telescopios. Los telescopios estarían ubicados a 650 AU, todavía dentro de nuestro sistema solar y ni siquiera a 1/50 del camino a la Nube de Oort. No hay nada ni nadie a 650 AU. TRAPPIST-1e está a unos 39,6 años luz o alrededor de 2.504.347 AU de distancia. No enviamos nada al umbral de nadie a 39,6 años luz de distancia.

  • Philip S. Crosby dice:

    La lente gravitacional se conocía antes de 1936. El experimento de Edington en 1919 indicó que habría un anillo focal. Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/Eddington_experiment

    • Steve L dice:

      Los astrónomos han rehecho recientemente este experimento durante un eclipse reciente con los resultados esperados. Es un experimento muy difícil y preciso con medidas extremadamente estrictas.

    • Un hombre viejo dice:

      El Sr. Crosby está corregido. Edington detectó una desviación, con estrellas ligeramente fuera de posición, NO la lente de doble imagen. El enlace dado no respalda la afirmación de que "El experimento de Edington en 1919 indicó que habría un anillo focal".

      “Los lentes Gravity son bastante raros” no. No son nada infrecuentes. Todo cuerpo bastante masivo tiene uno. Es raro detectarlos.

      • RW versión 0.0.1 dice:

        Supongo que el prefacio de la palabra útil sería útil, conveniente, útil, conveniente aquí o provechoso, efectivo, maldita sea, cuál es la palabra correcta que estoy buscando, para describir lo fructífera Podría ser

  • Ren dice:

    "(¡Los astrónomos eligen nombres épicos!)"

    Pero supongo que la NASA nunca nombrará otro satélite que rime con "problema".
    B ^)

  • Konrad dice:

    Usar Sun es un poco poco realista en este momento. Pero eche un vistazo a esta idea: use la curvatura de la luz atmosférica de la Tierra en lugar del impacto gravitacional del Sol: https://www.youtube.com/watch?v=jgOTZe07eHA

    • Rwg dice:

      Pensé en publicar este video exacto, me pegaste. Durante todo el tiempo que estuve leyendo el artículo, pensé que era ridículo que alguien pusiera dinero en un proyecto así sin usar primero los efectos de la lente terrestre. Podría completarse mucho más rápido y los riesgos son mucho menores para el equipo.

      • Palmadita dice:

        "¿Por qué alguien pondría dinero en un proyecto así?"

        Esta es una propuesta de CANI. NIAC es básicamente un desarrollo a largo plazo de alto riesgo y alta recompensa. El NIAC no financia realmente experimentos (en el sentido de 'construir un satélite'), sí financia la investigación que puede * conducir * a ellos.

    • Palmadita dice:

      La idea de Terrascope es un caso de uso completamente diferente.

      No están hablando de usar la gravedad, que ofrecería una imagen bastante limpia, sino de usar la atmósfera de la Tierra (como dijiste) para aumentar el área de recolección. El problema con esto es que la * resolución * estaría limitada por la visión (cuán estable es la atmósfera) así como por los telescopios terrestres, y para Terask la visión sería drásticamente peor (más atmósfera). El periódico lo calificó como decenas de segundos de arco, lo cual es ridículamente terrible. En otras palabras, la Terraza difícilmente podría resolver * Júpiter *. Sin embargo, todavía sería útil debido al aumento masivo de * sensibilidad * (todavía no tan grande como la idea de SGL, obviamente, pero grande).

      Para obtener imágenes de exoplanetas, es necesario lograr una resolución de nano-segundos de arco que el Terrestre no proporcionaría necesariamente.

    • Chris Maple dice:

      Según https://www.centauri-dreams.org/2016/04/26/gravitational-lensing-with-planets/, las distancias focales de la lente gravitacional de la Tierra son 15.375 AU. Esto es incluso mayor que la distancia focal del Sol por un amplio margen. Por otro lado, la Tierra no irradia tanto como el sol. Su vínculo interesante es la instalación de un telescopio de atmósfera exterior con una distancia focal de aproximadamente 4 distancias Tierra-Luna. El autor menciona algunos problemas probables a los que yo agregaría aberración cromática y mala resolución. El tiempo dirá si está bien intentarlo.

      Gracias.

  • MikeB dice:

    solo por curiosidad, creo que he visto muchos anuncios sobre proyectos solares, pruebas, etc. ¿Algunos realmente tuvieron éxito? Parece una tecnología clave.

    • Jonmayo dice:

      Mariner 10 (1973) utilizó la presión de la radiación solar en sus paneles para controlar la actitud durante sus pasajes por Mercurio. IKAROS (2010) mostró un control acelerado y actitudinal por velas solares durante su viaje a Venus.

  • Papá Astra dice:

    mi libro de ciencia ficción "550AU Buried in Stone" [http://www.amazon.com/dp/B07QXPTY86] describe las ventajas y los desafíos. ¿Alguien sabe de alguna otra ficción con un telescopio gravitacional solar?

América Aguilar
América Aguilar

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