En el tiempo transcurrido desde que se descubrió el primer exoplaneta en 1992, los astrónomos han detectado más de 5.000 planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Pero cuando los astrónomos detectan un nuevo exoplaneta, no aprendemos mucho sobre él: sabemos que existe y algunas características sobre él, pero el resto es un misterio.
Para eludir las limitaciones físicas de los telescopios, los astrofísicos de la Universidad de Stanford han estado trabajando en una nueva técnica de imagen conceptual que sería 1.000 veces más precisa que la tecnología de imagen más potente que se utiliza actualmente. Al aprovechar el efecto de distorsión de la gravedad en el espacio-tiempo, llamado lente, los científicos podrían manipular este fenómeno para crear imágenes mucho más avanzadas que las actuales.
En un artículo publicado el 2 de mayo en The Astrophysical Journal, los investigadores describen una forma de manipular las lentes gravitacionales solares para ver planetas fuera de nuestro sistema solar. Al colocar un telescopio, el sol y el exoplaneta en una línea con el sol en el medio, los científicos podrían usar el campo gravitacional del sol para aumentar la luz del exoplaneta a medida que pasa. A diferencia de una lupa que tiene una superficie curva que desvía la luz, una lente gravitacional tiene un espacio-tiempo curvo que permite obtener imágenes de objetos lejanos.
«Queremos tomar fotografías de los planetas que orbitan alrededor de otras estrellas que sean tan buenas como las fotografías que podemos hacer de los planetas de nuestro propio sistema solar», dijo Bruce Macintosh, profesor de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford y subdirector del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC). «Con esta tecnología, esperamos tomar una fotografía de un planeta a 100 años luz de distancia que tenga el mismo impacto que la fotografía de la Tierra del Apolo 8».
El problema, en la actualidad, es que su técnica propuesta requeriría un viaje espacial más avanzado que el que está disponible actualmente. Aún así, la promesa de este concepto y lo que podría revelar sobre otros planetas hace que valga la pena continuar su consideración y desarrollo, dijeron los investigadores.
Las ventajas de la flexión de la luz
Las lentes gravitacionales no se observaron experimentalmente hasta 1919 durante un eclipse solar. Con la luna obstruyendo la luz del sol, los científicos pudieron ver las estrellas cerca del sol desplazadas de sus posiciones conocidas. Esta fue una prueba inequívoca de que la gravedad podía desviar la luz y la primera evidencia observacional de que la teoría de la relatividad de Einstein era correcta. Más tarde, en 1979, Von Eshleman, profesor de Stanford, publicó un relato detallado de cómo los astrónomos y las naves espaciales podrían explotar la lente gravitatoria solar. (Mientras tanto, los astrónomos, incluidos muchos en el KIPAC de Stanford, ahora usan rutinariamente la poderosa gravedad de las galaxias más masivas para estudiar la evolución temprana del universo).
Pero no fue hasta 2020 que la técnica de imágenes se exploró en detalle para observar planetas. Slava Turyshev del Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto Tecnológico de California describió una técnica en la que un telescopio basado en el espacio podría usar cohetes para escanear los rayos de luz de un planeta para reconstruir una imagen clara, pero la técnica requeriría mucho combustible y tiempo.
Sobre la base del trabajo de Turyshev, Alexander Madurowicz, Ph.D. estudiante de KIPAC, inventó un nuevo método que puede reconstruir la superficie de un planeta a partir de una sola imagen tomada mirando directamente al sol. Al capturar el anillo de luz alrededor del sol formado por el exoplaneta, el algoritmo que diseñó Madurowicz puede eliminar la distorsión de la luz del anillo invirtiendo la flexión de la lente gravitatoria, que vuelve a convertir el anillo en un planeta redondo.
Madurowicz demostró su trabajo utilizando imágenes de la Tierra en rotación tomadas por el satélite DSCOVR que se encuentra entre la Tierra y el sol. Luego, usó un modelo de computadora para ver cómo se vería la Tierra mirando a través de los efectos de deformación de la gravedad del sol. Al aplicar su algoritmo a las observaciones, Madurowicz pudo recuperar las imágenes de la Tierra y probar que sus cálculos eran correctos.
Para capturar una imagen de un exoplaneta a través de la lente gravitatoria solar, se tendría que colocar un telescopio al menos 14 veces más lejos del sol que Plutón, más allá del borde de nuestro sistema solar, y más lejos de lo que los humanos jamás hayan enviado una nave espacial. Pero, la distancia es una pequeña fracción de los años luz entre el sol y un exoplaneta.
“Al desdoblar la luz doblada por el sol, se puede crear una imagen mucho más allá de la de un telescopio ordinario”, dijo Madurowicz. «Entonces, el potencial científico es un misterio sin explotar porque está abriendo esta nueva capacidad de observación que aún no existe».
Lugares de interés más allá del sistema solar
Actualmente, para obtener imágenes de un exoplaneta con la resolución que describen los científicos, necesitaríamos un telescopio 20 veces más ancho que la Tierra. Al usar la gravedad del sol como un telescopio, los científicos pueden explotar esto como una lente natural masiva. Un telescopio del tamaño de Hubble en combinación con la lente gravitacional solar sería suficiente para obtener imágenes de exoplanetas con suficiente potencia para capturar detalles finos en la superficie.
“La lente gravitacional solar abre una ventana completamente nueva para la observación”, dijo Madurowicz. «Esto permitirá la investigación de la dinámica detallada de las atmósferas de los planetas, así como la distribución de las nubes y las características de la superficie, que no tenemos forma de investigar ahora».
Madurowicz y Macintosh dicen que pasarán un mínimo de 50 años antes de que esta tecnología pueda implementarse, probablemente más. Para que esto se adopte, necesitaremos naves espaciales más rápidas porque, con la tecnología actual, podría llevar 100 años viajar hasta la lente. Usando velas solares o el sol como una honda gravitacional, el tiempo podría ser tan corto como 20 o 40 años. A pesar de la incertidumbre de la línea de tiempo, la posibilidad de ver si algunos exoplanetas tienen continentes u océanos, dijo Macintosh, los impulsa. La presencia de cualquiera de ellos es un fuerte indicador de que puede haber vida en un planeta distante.
«Este es uno de los últimos pasos para descubrir si hay vida en otros planetas», dijo Macintosh. «Al tomar una fotografía de otro planeta, podría mirarlo y posiblemente ver muestras verdes que son bosques y manchas azules que son océanos; con eso, sería difícil argumentar que no tiene vida».
