European
Southern
Observatory
Ciencia con el ELT
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¿Estamos solos en el Universo? Durante milenios, esta pregunta no se había formulado, o era meramente filosófica. Recientemente, se ha empezado a encontrar una respuesta.
Con el ELT, por primera vez en la historia, la tecnología nos permitirá observar y caracterizar exoplanetas en zonas habitables. Incluso, podría convertirse en el primer telescopio que encuentre evidencia de vida extraterrestre en estos planetas.
Con el ELT, por primera vez en la historia, la tecnología nos permitirá observar y caracterizar exoplanetas en zonas habitables. Incluso, podría convertirse en el primer telescopio que encuentre evidencia de vida extraterrestre en estos planetas.
¿Estamos solos en el Universo? Durante milenios, esta pregunta no se había formulado, o era meramente filosófica. Recientemente, se ha empezado a encontrar una respuesta.
Con el ELT, por primera vez en la historia, la tecnología nos permitirá observar y caracterizar exoplanetas en zonas habitables. Incluso, podría convertirse en el primer telescopio que encuentre evidencia de vida extraterrestre en estos planetas.
El primer exoplaneta orbitando una estrella de tipo solar (51 Pegasi) fue descubierto en 1995, por Michel Mayor y Didier Queloz, quienes recibieron el Premio Nobel de Física en 2019 por este avance. Desde entonces, se han descubierto más de 4000 planetas orbitando estrellas distintas a nuestro Sol, desde varios super Júpiter hasta planetas del tamaño de la Tierra o Marte, incluyendo el debatido descubrimiento de la primera exoluna, que es una luna alrededor de un exoplaneta.
La mayoría de los exoplanetas son detectados indirectamente mediante el método de velocidad radial, que detecta el bamboleo que éstos producen en su estrella anfitriona conforme la orbitan. Otro método utilizado es la técnica de tránsito, que detecta la caída del brillo de la estrella anfitriona cuando un planeta pasa frente a ella. Sin embargo, estas detecciones son indirectas y muy limitadas en cuanto a la información que pueden proporcionar sobre el planeta en sí. Además, se han hecho muy pocas observaciones directas de planetas.
El ELT revolucionará el estudio de los planetas fuera de nuestro Sistema Solar. Nos permitirá obtener imágenes directas de algunos de estos sistemas, incluyendo planetas en las zonas habitables de una estrella: Los planetas rocosos dentro de este rango de órbitas podrían contener agua líquida en su superficie. Gracias a la gran capacidad recolectora del ELT, también podremos detectar y caracterizar las huellas de las atmósferas de planetas en tránsito, a medida que pasan frente a su estrella anfitriona.
La técnica de velocidad radial, que mide el desplazamiento Doppler inducido de las características en el espectro de la estrella anfitriona, sólo puede encontrar ciertos tipos de planetas.
Con la generación actual de telescopios, esta técnica se ve limitada tanto por la precisión como por la estabilidad de las mediciones de velocidad: las mediciones actuales han reducido el límite hasta una precisión ya impresionante de ~20 cm/s que se ha mantenido por varios años. Sin embargo, el reto consiste en que un planeta como la Tierra, orbitando alrededor de una estrella como el Sol, sólo inducirá una variación de velocidad radial de la mitad de este valor, aproximadamente. Esto está al límite de lo que se puede lograr con telescopios actuales, incluso cuando están dotados con instrumentos de última generación. En cambio, los espectrógrafos ultra estables del ELT, que aprovecharán la gran capacidad de recolección del telescopio, lograrán precisiones de medición de ~1 cm/s en períodos que van desde minutos hasta años. La detección de planetas rocosos en zonas habitables requiere esta precisión, para superar la contaminación de la medición debida a oscilaciones, sismología, granulación o actividad magnética de la estrella anfitriona.
Por lo tanto, el ELT será fundamental para caracterizar exoplanetas telúricos, incluyendo los primeros posibles gemelos de la Tierra en zonas habitables de estrellas cercanas. El ELT nos permitirá investigar las propiedades físicas y químicas básicas de los exoplanetas, tales como sus parámetros orbitales y estructuras internas, perfiles de temperatura, composición de atmósferas, clima, estaciones y posiblemente indicadores de vida. Contribuirá a la comprensión de la arquitectura, formación y evolución de los sistemas planetarios y dará respuesta a una parte importante de la pregunta fundamental: ¿cuán únicos somos?
Para 2026, las instalaciones terrestres y espaciales habrán descubierto miles de exoplanetas telúricos y gigantes. El ELT comenzará a detectar planetas similares a la Tierra en zonas habitables utilizando las técnicas de velocidad radial y de tránsito, descritas anteriormente.
Para entonces, la comprensión estadística sobre las propiedades de las estrellas anfitrionas y la distribución de masas y órbitas de los exoplanetas estará más desarrollada. El siguiente paso en la investigación de exoplanetas será la caracterización física de los planetas conocidos en ese momento. Para ello, la luz directa del planeta debe ser detectada y separada del resplandor de su estrella anfitriona. La superación de esta diferencia de brillo (conocida como contraste), constituye el principal desafío para este tipo de observación y requiere imágenes extremadamente nítidas. Esta capacidad supondrá una ventaja formidable para los telescopios terrestres. Los instrumentos de búsqueda de planetas de los telescopios de 8 metros ahora logran rutinariamente contrastes similares a los del telescopio espacial James Webb: alrededor de 10–5 a 10–6 a distancias de sub-arcosegundos de sus estrellas anfitrionas.
La detección de un planeta similar a la Tierra requiere un contraste de 10-9 o mejor, en menos de 0,1 segundos de arco de la estrella. La capacidad recolectora de luz de un telescopio de 40 metros y la implementación de óptica adaptativa extrema en el ELT serán cruciales para alcanzar este límite. Un instrumento buscador de planetas en el ELT permitirá a los científicos no sólo estudiar planetas gigantes jóvenes (auto luminosos) y maduros en la vecindad solar y en las regiones de formación estelar más cercanas, sino también entender la composición y estructura de sus atmósferas. En los alrededores de las cien estrellas más cercanas, el ELT permitirá la primera caracterización de planetas similares a Neptuno y planetas rocosos situados en zonas habitables, estableciendo una nueva frontera en la astrobiología y en nuestra comprensión sobre la evolución de la vida.
Con el ELT, se intensificará el estudio en detalle de las atmósferas de exoplanetas jóvenes, telúricos y masivos. De hecho, con su sensibilidad y resolución espacial sin precedentes en longitudes de onda del infrarrojo medio, el ELT será capaz de detectar exoplanetas jóvenes, auto luminosos, con la masa de Júpiter, pero también gigantes y telúricos en luz reflejada. En el óptico e infrarrojo, serán accesibles varias huellas moleculares en resoluciones espectrales altas y bajas, incluyendo monóxido de carbono y dióxido de carbono, metano, agua, amoníaco e incluso oxígeno en los espectros de las atmósferas de Júpiter, Neptuno y planetas similares a la Tierra en zonas habitables.
Por otra parte, las atmósferas de los exoplanetas se pueden observar durante los tránsitos. Las instalaciones terrestres y espaciales (como CoRoT, dirigido por Francia que ya se ha retirado, y las misiones Kepler de NASA, CHEOPS de la Agencia Espacial Europea [ESA], y las futuras misiones de ESA PLATO y ARIEL) están recopilando estrellas objetivo en las cuales un exoplaneta, visto desde la Tierra, transita frente a su estrella anfitriona. Durante estos eventos, de pocas horas de duración cada pocos meses o años, las características espectrales de la atmósfera del exoplaneta, retroiluminadas por su estrella madre puede verse en el espectro del sistema. Dichas mediciones plantean un desafío, pero ya se han llevado a cabo en planetas gigantes gracias a los telescopios de 8 metros. La ampliación de estas mediciones al régimen de los planetas terrestres es una posibilidad al alcance del ELT. En tales planetas y otros que se encuentran en la zona habitable, el espectro puede examinarse para detectar biomarcadores indicativos de procesos biológicos, lo cual abre otra alternativa para lograr la primera detección de vida extraterrestre.
La diversidad observada en las propiedades de los exoplanetas debe estar relacionada con la estructura y evolución de los discos de material pre planetario a partir de los cuales se forman. Por lo tanto, el estudio de la formación de tales discos representa un paso crucial para comprender el origen de la vida. La transición de los discos desde la fase rica en gas a la fase pobre en gas es de particular interés: Es el momento en que los planetas gaseosos se forman y los planetas rocosos acretan gradualmente material sólido, ya sea en forma de planetesimales, esencialmente similares a los asteroides o cometas actuales, o piedrecillas más pequeñas (de unos pocos centímetros de tamaño).
La resolución especial del ELT, desde unas pocos hasta decenas de mili-arcosegundos, le permite sondear las pocas unidades astronómicas internas de estos discos, hasta las regiones de formación estelar más cercanas (a unos 500 años-luz de nosotros), lo cual nos posibilitará, por primera vez, explorar las regiones donde se forman planetas similares a la Tierra. Estos datos se complementarán perfectamente con las observaciones obtenidas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del cual ESO es socio, examinando el material más frío y lejano en estos sistemas, a fin de lograr una comprensión cabal sobre la evolución de discos protoplanetarios. Por otra parte, los discos internos sondeados por el ELT son aquellos donde las moléculas claves de la química orgánica, tales como el metano, acetileno y cianuro de hidrógeno, y moléculas prebióticas más complejas podrían formarse. Su estudio proporcionará otra pieza vital en el rompecabezas de la astrobiología.
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