21 de Junio de 2022
Exoplanetas

¿Es posible usar el Sol como un telescopio?

En un futuro, podríamos utilizar nuestra estrella como una lente gravitatoria para obtener imágenes detalladas de exoplanetas distantes.

Una idea para obtener imágenes detalladas de exoplanetas lejanos es usar el Sol (visto aquí en longitudes de onda del ultravioleta lejano) como una lente gravitatoria. [NASA/GSFC/SDO]  

Ya se han descubierto más de 5000 planetas fuera del sistema solar, pero apenas sabemos nada de esos mundos. La mayoría de ellos se han observado solo de forma indirecta, a partir de las sombras que proyectan al pasar frente a las estrellas en torno a las que orbitan. Los pocos que hemos logrado fotografiar (obteniendo imágenes directas a partir de la luz que emana de los propios planetas) aparecen casi como puntos monocromáticos, incluso en los mejores telescopios actuales. Y, hasta ahora, todos esos mundos fotografiados directamente se hallan entre los exoplanetas más brillantes, más grandes y menos parecidos a la Tierra que conocemos.

Todo eso podría cambiar en un futuro lejano. ¿Cómo de detallada podría ser la imagen de un exoplaneta distante, en especial uno pequeño y rocoso como la Tierra? La respuesta es que, con el tiempo, los astrónomos podrían obtener imágenes que revelen continentes, nubes, océanos, capas de hielo e incluso vegetación en algún mundo remoto similar al nuestro que gire alrededor de otra estrella.

Pero hay un problema: el telescopio más potente que podríamos usar para esa tarea puede construirse, al menos en sentido estricto. En cambio, hay que crearlo empleando los principios de la relatividad general de Einstein para transformar nuestro Sol en una lupa del tamaño de una estrella. La idea clave de Albert Einstein (que la gravedad puede entenderse como la curvatura del espaciotiempo) significa que las estrellas y otros objetos masivos actúan como «lentes gravitatorias» que desvían la luz procedente de los objetos del fondo, deformándolos y ampliándolos.

Los astrónomos utilizan de manera habitual las galaxias y los cúmulos de galaxias como lentes gravitatorias, pero la perspectiva de usar esta técnica con el Sol plantea tantos retos que pocos investigadores la han considerado seriamente. En particular, la estrategia requiere ubicar con precisión un telescopio (un instrumento como el Hubble, por ejemplo) en el punto donde la lente gravitatoria enfocaría la luz del objeto observado. En el caso del Sol, esos puntos focales se hallan en las afueras del sistema solar, al menos 14 veces más lejos que Plutón.

Ahora, un estudio realizado por astrónomos de la Universidad Stanford muestra que podría existir un atajo para simplificar la ardua tarea de obtener imágenes de exoplanetas empleando el Sol como telescopio cósmico. El trabajo, publicado en The Astrophysical Journal, sugiere que los astrónomos podrían llegar a obtener imágenes de exoplanetas con una resolución 1000 veces superior a la del Telescopio del Horizonte de Sucesos, que ha servido para captar las históricas instantáneas de dos agujeros negros supermasivos. «Es genial pensar que se trata de una especie de última etapa en el estudio de los exoplanetas», opina Bruce Macintosh, astrofísico de Stanford y coautor del artículo. «O, al menos, una última etapa a falta de visitarlos realmente.»

Diagrama que ilustra la estrategia consistente en usar el campo gravitatorio del Sol para curvar la luz procedente de exoplanetas lejanos (<em>izquierda de la imagen</em>) y enfocarla en un telescopio situado en los confines del sistema solar. Eso permitiría realizar reconstrucciones muy elaboradas (<em>derecha</em>) del aspecto de esos mundos. [<a href="https://phys.org/news/2022-05-scientists-gravity-telescope-image-exoplanets.html">Alexander Madurowicz/Phys.org</a>]

Alex Madurowicz, estudiante de doctorado de Macintosh y coautor del artículo, comenzó introduciendo imágenes satelitales de la Tierra en un modelo informático que recreó el aspecto que tendría nuestro mundo si lo viéramos desde lejos por medio de una lente gravitatoria estelar. En casi todos los casos, la imagen resultante sería un «anillo de Einstein», una mancha circular distorsionada producida cuando la luz del planeta se curva alrededor de la estrella que hace de lente.

Un trabajo previo de Slava Turyshev, investigador del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, había demostrado que, para corregir esas distorsiones, habría que mover un telescopio ordinario adelante y atrás, de forma metódica, en la región focal situada en el borde del sistema solar. El consiguiente escaneo, píxel a píxel, de la proyección deformada del planeta, coreografiado de algún modo desde la Tierra (a más de 80.000 millones de kilómetros de distancia), podría llevar miles de horas y consumir enormes cantidades de combustible.

Sin embargo, Madurowicz y Macintosh se percataron de que ese difícil cálculo podría cambiar debido a que el Sol no es del todo esférico, sino un tanto oblongo. Ese pequeño detalle implica que, si el exoplaneta observado se alinease perfectamente con el ecuador del Sol (visto desde el telescopio de la región focal), la imagen resultante no sería un anillo de Einstein, sino una «cruz»: cuatro copias asimétricas del planeta alrededor del perímetro del Sol. Madurowicz descubrió que, aprovechando esa asimetría, se podía prescindir del proceso de escaneo a la hora de reconstruir la imagen no distorsionada del exoplaneta. «No habría que mover el telescopio dentro de la imagen», asegura. «Podría permanecer en un punto.»

Turyshev, que no ha participado en el reciente estudio, se muestra escéptico sobre la posibilidad de eliminar el laborioso proceso de escaneo que describió en su trabajo anterior. La técnica idealizada de reconstrucción de imágenes que proponen Macintosh y Madurowicz, señala, tendría que superar las posibles interferencias derivadas del brillo de nuestro sol y de su hirviente atmósfera exterior, conocida como corona. «Sería estupendo que el Sol fuera oscuro», subraya Turyshev. Pero no lo es, y ni siquiera los mejores instrumentos podrían evitar que una parte de su luz se colara en un telescopio, sobre todo en uno que apuntara directamente a nuestra estrella. «Su artículo es maravilloso, pero no deja de ser una teoría», añade.

Incluso si fuera posible omitir el proceso de escaneo, hay que tener en cuenta otras limitaciones. Lo más probable es que cada exoplaneta que estudiásemos mediante la lente gravitatoria solar requiriera su propio telescopio espacial, similar al Hubble, ubicado en los límites exteriores del sistema solar. Por ejemplo, para que un observatorio de ese tipo pudiera obtener imágenes de un segundo exoplaneta situado a tan solo 10 grados de su objetivo original, tendría que cambiar su posición alrededor del Sol en más de 14.000 millones de kilómetros. «Para usar una lente gravitatoria solar, es necesario alinear el telescopio, el Sol y el planeta con extrema precisión», afirma Madurowicz. No habría forma de que un solo telescopio tomara imágenes de más de un planeta a la vez, salvo en el caso de un sistema estelar con varios mundos interesantes.

Esta limitación es la razón por la que Jean Schneider, astrónomo del Observatorio de París, ha puesto sus ojos en una alternativa distinta (y quizá más factible) a la lente gravitacional solar: el hipertelescopio. Este concepto amplio propone detectar las características superficiales de los exoplanetas mediante flotas espaciales compuestas por espejos con diámetros del orden de un metro. Dichos espejos volarían en formación para crear un telescopio virtual más grande que cualquier instrumento individual. Schneider está de acuerdo en que obtener imágenes directas de vegetación extraterrestre tendría «un valor inestimable» y proporcionaría conocimientos que no están a nuestro alcance a través de ningún otro método conocido de observación remota.

Aki Roberge, astrofísico del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, apunta que los astrónomos ni siquiera saben si existe otro mundo como el nuestro. «No solo "del tamaño de la Tierra", precisa, «sino "similar a la Tierra", con océanos, continentes, una atmósfera y una biosfera». Y parece que obtener imágenes directas es la única forma de averiguarlo.

Un observatorio recomendado en la última Encuesta Decenal de Astronomía y Astrofísica (Astro2020) de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE.UU. podría constituir la mejor opción a corto plazo para que Roberge y sus colegas obtengan las respuestas que buscan. La encuesta representa una hoja de ruta que guía la astronomía estadounidense durante una década, y el observatorio propuesto es un telescopio espacial con un espejo de más de seis metros de diámetro. Sería una especie de «súper Hubble» preparado para captar luz visible, infrarroja y ultravioleta, y que se lanzaría a principios de la década de 2040.

Según las recomendaciones de Astro2020, una de las capacidades básicas de ese telescopio debería ser la obtención de imágenes directas de una variedad de exoplanetas, con el objetivo fundamental de estudiar sus atmósferas para hacer mejores conjeturas sobre sus condiciones ambientales. A partir de ellas, los astrónomos podrían determinar si esos mundos presentan los requisitos o subproductos químicos de la vida, tal y como la conocemos (por ejemplo, agua, compuestos orgánicos u oxígeno libre). Las manchas borrosas que captaría un telescopio así podrían constituir un pequeño primer paso para estimar las posibilidades reales de que un exoplaneta albergue vida. Según la mayoría de los astrónomos, solo tras una misión de este tipo se podría dar el gran salto de construir un hipertelescopio o aprovechar el Sol como lente gravitatoria para obtener imágenes detalladas de la superficie. «Tenemos un camino hasta la década de 2040. Después de eso, será el salvaje oeste», bromea Roberge.

A pesar de lo extravagante que pueda parecer una lente gravitatoria solar, Turyshev, Macintosh y Madurowicz son de la misma opinión: vale la pena pensar en sus posibilidades. Los avances en velas solares y otras técnicas de propulsión poco convencionales ya permitirían acelerar el viaje hasta los confines del sistema solar. Los retos siguen siendo enormes, pero el uso de nuestra estrella como el telescopio definitivo podría estar más cerca de materializarse de lo que sospechamos. Al considerar los límites teóricos y prácticos de este enfoque, cuando por fin esté a nuestro alcance (si eso llega a ocurrir), la pregunta no será «¿podemos hacerlo?», sino «¿qué planetas debemos fotografiar?».

Allison Gasparini

Referencia: «Integral field spectroscopy with the solar gravitational lens». Alexander Madurowicz y Bruce Macintosh en The Astrophysical Journal, vol. 930, art. 19, 2 de mayo de 2022.

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