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Equipo de la NASA pasa un hito tecnológico importante para caracterizar a los exoplanetas

Los investigadores de la NASA dicen que han pasado un hito importante en su búsqueda de madurar herramientas más poderosas para detectar y analizar directamente las atmósferas de planetas gigantes fuera del sistema solar — uno de los objetivos observacionales del telescopio espacial infrarrojo de campo ancho propuesto por la NASA, también conocido como WFIRST.

En las pruebas realizadas en el testbed de imágenes de alto contraste en el Laboratorio de Propulsión de Jet de la NASA, o JPL, en Pasadena, California — uno de los testbeds más avanzados del mundo — los investigadores crearon lo que ellos llaman una región de muy profundo contraste entre una estrella simulada y su planeta. También demostraron la capacidad de detectar y analizar la tenue luz del planeta sobre una porción relativamente grande de la banda de longitud de onda visible a infrarrojo cercano.

Un instrumento desarrollado por los científicos en el Centro Goddard de Vuelo Espacial de la NASA en Greenbelt, Maryland — el espectrógrafo prototipo de imágenes para los estudios de exoplanetas Coronagraphic, o Piscis — jugó un papel importante en la demostración, demostrando que podría separar la luz de uno o más exoplanetas del tamaño de Júpiter por su longitud de onda (color) y registrar los datos en cada posición alrededor de una estrella.

Para apreciar el hito de los investigadores, es importante entender el reto en sí.

La luz de estos planetas es extremadamente débil — más débil que sus estrellas anfitrionas por un factor de 100 millones o más, y desde nuestra perspectiva en la Tierra, estos planetas parecen estar muy cerca de sus estrellas. Con una cámara de imágenes convencional, la luz del planeta se pierde en el resplandor de la estrella. Sin embargo, con un coronógrafo — un dispositivo que suprime el resplandor y crea una zona oscura alrededor de una estrella — la tenue luz de un exoplaneta puede ser revelada.

El científico del instrumento Michael McElwain y su equipo desarrollaron un espectrógrafo de campo integral llamado Piscis. El instrumento del tamaño de la mesa ahora está instalado en una instalación del Laboratorio de Propulsión a Chorro para probar las tecnologías de supresión de luz para un seguimiento planificado del telescopio espacial James Webb. Los miembros del equipo Goddard incluyen a Qian Gong, Tyler Groff, Jorge Llop, AVI Mandell, Maxime Rizzo, Prabal Saxena y Neil Zimmerman. Los miembros del equipo de JPL incluyen a Eric Cady y Camilo Mejía Prada.
Créditos: NASA

Trabajar en concierto con el coronógrafo, un espectrógrafo de campo integral, o IFS, como Piscis, sería capaz de separar la luz del exoplaneta por su longitud de onda y registrar los datos, revelando detalles sobre las propiedades físicas del planeta, incluyendo la composición química y estructura de su atmósfera.

Durante la prueba, el equipo de Goddard-JPL mantuvo un contraste muy profundo sobre el 18 por ciento de la banda de la longitud de onda de coronógrafo-un expediente que presagia bien para las misiones futuras como WFIRST, que ha puesto a base un coronógrafo y un instrumento del IFS-tipo en la misión. (para poner esto en perspectiva, el ojo humano puede ver el espectro visible completo de colores, de azul a rojo, que corresponde a un 50 por ciento de paso de banda. En comparación, un puntero láser tiene un solo color, que es mucho menor que uno por ciento.

"Lograr un contraste tan profundo en una banda tan amplia nunca se ha hecho antes y fue uno de nuestros objetivos." Idealmente, quisiéramos observar todo el espectro del planeta-en otras palabras, ver todos sus colores a la vez-pero eso aún no es posible con las actuales tecnologías coronagraphic. El dieciocho por ciento, como lo demuestra Piscis, es el estado actual del arte ", dijo el científico Goddard y el instrumento de Piscis, Michael McElwain. En comparación, el laboratorio de JPL coronógrafo mantuvo el mismo nivel de contraste oscuro sobre el 10 por ciento de las bandas de longitud de onda óptica antes de la puesta en marcha de la mesa de Piscis el año pasado.

"Todavía no hemos terminado y estamos tratando de llegar a contrastes más altos," sin embargo, el 100 millones-uno sobre el 18 por ciento de la banda de longitud de onda óptica es un hito importante y significativo, "dijo Maxime Rizzo, un estudiante de postdoctorado que está trabajando con McElwain y su equipo para avanzar Piscis." "con el paso de banda creciente, podemos conseguir muchos colores a la vez." "Esto nos permite identificar más moléculas en las atmósferas y obtener una gran imagen".

Piscis, que McElwain desarrolló con fondos del programa de investigación y desarrollo interno de Goddard y la prestigiosa beca de tecnología romana Nancy Grace, separa la luz un poco diferente de los espectrógrafos más tradicionales.

Como dispositivo tipo IFS, Piscis toma una imagen coronagraphic y la muestrea con una matriz de microobjetivos compuesta por más de 5.800 segmentos de vidrio minúsculos no mayores que el ancho de tres pelos humanos. El microobjetivo crea una matriz de "manchas" que luego se dispersa por un prisma y finalmente se vuelve a imagen en un detector. En la práctica, cada micro-Lens, o lenslet, aísla una pequeña porción de la imagen coronagraphic, creando microespectros para la luz que pasa a través de cada lenslet minúsculo. Los espectros múltiples entonces se combinan en un cubo de datos que los científicos analizan.

El IFS proporciona toda la información de longitud de onda simultáneamente en todo el campo visual. Con las observaciones más tradicionales de la proyección de imagen, los científicos deben ciclar a través de las diversas longitudes de onda, que toma tiempo y requieren un mecanismo para cambiar los filtros-requisitos no deseables con un Observatorio que orbita que sólo tiene tiempo limitado para pasar en un blanco. El sistema óptico en sí cambia con el tiempo debido a las variaciones térmicas y dinámicas, subrayando aún más la necesidad de observaciones espectrales simultáneas.

"Es por eso que los planificadores de WFIRST basaron el espectrógrafo de tipo IFS en primer lugar", dijo Rizzo. "en este caso, Piscis ofreció información sobre un total del 18 por ciento del paso de banda, en lugar del tradicional 10 por ciento que se había demostrado en el JPL sin un IFS." "Piscis demostró que podía permitir más ciencia".

A pesar de que el equipo demostró el profundo contraste sobre una parte mayor del paso de banda visible a infrarrojo cercano, y al hacerlo, aumentó el nivel de preparación de la tecnología, sigue habiendo trabajo, dijo AVI Mandell, el científico del proyecto WFIRST IFS. "El éxito ha abierto todas las nuevas ideas de supresión de la luz de las estrellas que queremos probar."

By Lori Keesey
NASA’s Goddard Space Flight Center

Last Updated: Aug. 29, 2017
Editor: Lynn Jenner

Traducción: El Quelonio Volador

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