Datos astronómicos y la búsqueda de mundos habitables


En 1610, Galileo Galilei se asomó por un telescopio y observó: «He visto a Júpiter acompañado de tres estrellas fijas, totalmente invisibles por su pequeñez. Los planetas se ven muy rotundos, como pequeñas lunas llenas». De hecho, lo que vio con sus ojos, magnificados por su primer telescopio, fueron las lunas más grandes del planeta más grande de nuestro sistema solar, Júpiter. Galileo finalmente identificó a Europa, Calisto, Io y Ganímedes, y ahora a veces se les conoce como los satélites «galileanos» de Júpiter.

Hoy, el telescopio de Galileo parecería rudimentario al lado de los instrumentos mucho más grandes y poderosos que usan los astrónomos. Recientemente, el telescopio espacial más poderoso jamás construido y lanzado por la humanidad lanzó sus primeras imágenes al público.

La imagen que obtenemos realmente solo aparece como una gran franja en blanco y negro, pero ese es nuestro arco iris infrarrojo. Crédito: Lustig-Yaeger, May y Mayorga

Para cualquier persona interesada en astronomía y astrobiología, ¿qué significa una misión como la del telescopio espacial Webb? El telescopio Webb no está diseñado para buscar vida, pero podría revelar información importante sobre la habitabilidad de los exoplanetas y, por lo tanto, el potencial de vida más allá de nuestro sistema solar. Pero, ¿qué implica realmente ‘mirar’ a través de un telescopio como Webb para los científicos de hoy? Jacob Lustig-Yaeger, Erin May y Laura Mayorga, tres científicos principiantes del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins, ayudan a explicar cómo es la vida de los astrónomos en la actualidad.

¿Cómo se ven realmente los datos de un telescopio espacial como Webb para un astrobiólogo?

El telescopio tiene muchos modos de funcionamiento que los astrónomos utilizarán para diferentes investigaciones astronómicas. Algunos de los modos son imágenes que capturarán detalles sorprendentes de varios objetos, similares a las galaxias y nebulosas que observó el telescopio espacial Hubble. Pero para los astrónomos que estudian exoplanetas en otros sistemas planetarios (conocidos como exoplanetas), estamos particularmente interesados en las capacidades espectroscópicas de la misión.

¿Alguna vez has visto un arcoíris bailando en tu pared debido a la luz que entra por tu ventana? ¡Eso es un espectro! Un espectro es una forma de dividir la luz en todos los colores que la componen para que podamos estudiarla mejor. El arcoíris colorido con el que estamos más familiarizados es lo que sucede cuando rompes la luz del sol, que es visible para tus ojos. Pero la luz también se compone de muchos más «colores» que los que nuestros ojos pueden ver. Este telescopio busca «arcoíris» de luz infrarroja, que es simplemente calor, el tipo de luz que hace que el Sol o un horno caliente se sientan tibios.

Sin embargo, el telescopio no es una cámara típica: sus cámaras están compuestas de píxeles que son como un montón de cubos colocados en una cuadrícula, como una bandeja de hielo. Después de que los instrumentos dividen la luz en ese arco iris infrarrojo, cada cubo comienza a llenarse con un color de luz específico. Cada cubeta cuenta la cantidad de luz que entra hasta que se llena, o le decimos al telescopio que deje de recoger luz.

Cuando observamos exoplanetas, normalmente buscamos una disminución de la luz cuando el planeta cruza frente a la estrella, y esta disminución cambia de tamaño según el color de la luz. Crédito: Lustig-Yaeger, May y Mayorga

En realidad, los datos reales son solo un montón de números que nos dicen cuánta luz observó el telescopio en los colores específicos que queríamos recolectar. La «imagen» que recibimos realmente solo aparece como una gran franja en blanco y negro, ¡pero ese es nuestro arco iris infrarrojo! Para los exoplanetas, a menudo tomamos muchas de estas imágenes, una tras otra, para ver cómo esos colores cambian con el tiempo cuando el exoplaneta cruza por delante o por detrás de su estrella.

A medida que se recopilan los datos, ¿cómo se ve el trabajo para los astrónomos día tras día en los próximos años?

En resumen, los astrónomos en estos días son científicos de datos que analizan datos de telescopios y desarrollan y ejecutan simulaciones de los procesos astrofísicos que tienen lugar en todos los diferentes rincones del universo. La mayoría de los astrónomos utilizan el lenguaje de programación Python para el trabajo diario, en particular los científicos al comienzo de su carrera. Para los astrónomos de exoplanetas, la mayoría de nuestras herramientas son paquetes de software personalizados diseñados específicamente para el análisis y modelado de datos de exoplanetas, a veces incluso personalizados para el telescopio específico que estamos usando o adaptados al tipo de exoplaneta que estamos estudiando.

A continuación, los astrónomos analizan el espectro del exoplaneta utilizando modelos informáticos para comprender cómo las características únicas de la atmósfera del exoplaneta dieron lugar a lo que observó el telescopio. Crédito: Lustig-Yaeger, May y Mayorga

A medida que el telescopio recopila datos de exoplanetas en los próximos años, los astrónomos seguirán muchos pasos para traducir los datos del telescopio sin procesar en nuevos conocimientos sobre los exoplanetas y la naturaleza de sus atmósferas. Como se mencionó anteriormente, los datos comienzan como una serie de imágenes individuales del arco iris infrarrojo, cada una tomada una tras otra a medida que un exoplaneta cruza por delante o por detrás de su estrella. Pero la cantidad de luz que cuenta cada balde también conlleva mucho ruido. Piense en esto como intentar tomar una selfie en la oscuridad: la imagen sale un poco granulada. ¡Eso es porque está lleno de ruido y muy poca luz! Los astrónomos observacionales dedican mucho tiempo a tratar de encontrar todas las fuentes de ruido y encontrar formas inteligentes de eliminarlo utilizando herramientas de software personalizadas. Después de eliminar el ruido de cada imagen del arco iris infrarrojo, podemos crear lo que llamamos una curva de luz, una forma de mostrar cómo cambia cada color de luz con el tiempo.

Cuando observamos exoplanetas, normalmente buscamos una caída de luz cuando el planeta cruza frente a la estrella, y esta caída cambia de tamaño según el color de la luz. Cuando ese planeta cruza frente a la estrella, parte de la luz estelar atraviesa la atmósfera del planeta e interactúa con los gases y las moléculas que lo componen. Podemos usar información sobre el tamaño de esa depresión para decirnos qué hay en la atmósfera del planeta.

A continuación, los astrónomos analizan el espectro del exoplaneta utilizando modelos informáticos para comprender cómo las características únicas de la atmósfera del exoplaneta dieron lugar a lo que observó el telescopio. Gracias a décadas de mediciones de laboratorio aquí en la Tierra, sabemos con precisión cómo las moléculas individuales interactúan con la luz y que cada molécula posee su propia huella digital espectral única. Es decir, cada molécula interactúa con la luz de una manera ligeramente diferente y esto nos permite reconocerlas en nuestras observaciones. Usando estos principios, los astrónomos ejecutan simulaciones por computadora de millones de diferentes atmósferas posibles que contienen diferentes mezclas de gases para identificar qué cóctel de moléculas ofrece el mejor acuerdo con el espectro que midió el telescopio.

Por supuesto, una vez que se completa todo el análisis, los astrónomos aún no han terminado. Como cualquier buena empresa científica, los pasos finales son escribir todos los hallazgos en un manuscrito que pueda ser revisado por pares, publicado en una revista académica y compartido en todo el mundo.

Con información de NASA

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