El telescopio de estudio infrarrojo de campo amplio de la NASA (WFIRST) buscará planetas fuera de nuestro sistema solar hacia el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. donde están la mayoría de las estrellas. Estudiar las propiedades de los mundos de exoplanetas nos ayudará a comprender cómo son los sistemas planetarios de la galaxia y cómo se forman y evolucionan los planetas.

La combinación de los hallazgos de WFIRST con los resultados de las misiones Kepler y Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA completará el primer censo planetario que es sensible a una amplia gama de masas y órbitas planetarias. acercándonos un paso más al descubrimiento de mundos similares a la Tierra habitables más allá del nuestro.

Hasta la fecha, Los astrónomos han encontrado la mayoría de los planetas cuando pasan frente a su estrella anfitriona en eventos llamados tránsitos, que atenúan temporalmente la luz de la estrella. Los datos de WFIRST también pueden detectar tránsitos, pero la misión buscará principalmente el efecto opuesto:pequeñas oleadas de radiación producidas por un fenómeno de flexión de la luz llamado microlente. Estos eventos son mucho menos comunes que los tránsitos porque se basan en la alineación aleatoria de dos estrellas muy separadas y no relacionadas que se desplazan por el espacio.

"Las señales de microlentes de planetas pequeños son raras y breves, pero son más fuertes que las señales de otros métodos, "dijo David Bennett, quien dirige el grupo de microlentes gravitacionales en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Dado que es un evento de uno en un millón, la clave para que WFIRST encuentre planetas de baja masa es buscar cientos de millones de estrellas ".

Además, la microlente es mejor para encontrar planetas dentro y más allá de la zona habitable, las distancias orbitales donde los planetas pueden tener agua líquida en sus superficies.

Microlente 101

Este efecto ocurre cuando la luz pasa cerca de un objeto masivo. Cualquier cosa con masa deforma el tejido del espacio-tiempo, algo así como la abolladura que hace una bola de boliche cuando se coloca en un trampolín. La luz viaja en línea recta pero si el espacio-tiempo se dobla, lo que ocurre cerca de algo masivo, como una estrella, la luz sigue la curva.

Cada vez que dos estrellas se alinean estrechamente desde nuestro punto de vista, la luz de las estrellas más distantes se curva a medida que viaja a través del espacio-tiempo deformado de la estrella más cercana. Este fenómeno, una de las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein, fue confirmado por el físico británico Sir Arthur Eddington durante un eclipse solar total en 1919. Si la alineación es especialmente cercana, la estrella más cercana actúa como una lente cósmica natural, enfocando e intensificando la luz de la estrella de fondo.

Los planetas que orbitan alrededor de la estrella en primer plano también pueden modificar la luz con lentes, actuando como sus propios lentes diminutos. La distorsión que crean permite a los astrónomos medir la masa del planeta y la distancia de su estrella anfitriona. Así es como WFIRST utilizará microlentes para descubrir nuevos mundos.

Mundos familiares y exóticos

"Intentar interpretar las poblaciones de planetas hoy en día es como intentar interpretar una imagen con la mitad cubierta, "dijo Matthew Penny, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Estatal de Louisiana en Baton Rouge, quien dirigió un estudio para predecir las capacidades de encuesta de microlente de WFIRST. "Para comprender completamente cómo se forman los sistemas planetarios, necesitamos encontrar planetas de todas las masas a todas las distancias. Ninguna técnica puede hacer esto, pero la encuesta de microlentes de WFIRST, combinado con los resultados de Kepler y TESS, revelará mucho más de la imagen ".

Más de 4, 000 exoplanetas confirmados se han descubierto hasta ahora, pero solo 86 se encontraron a través de microlentes. Las técnicas comúnmente utilizadas para encontrar otros mundos están sesgadas hacia planetas que tienden a ser muy diferentes a los de nuestro sistema solar. El método de tránsito, por ejemplo, es mejor para encontrar planetas similares a subneptuno que tienen órbitas mucho más pequeñas que las de Mercurio. Para un sistema solar como el nuestro, los estudios de tránsito podrían perder todos los planetas.

El estudio de microlentes de WFIRST nos ayudará a encontrar análogos a todos los planetas de nuestro sistema solar excepto Mercurio. cuya pequeña órbita y baja masa se combinan para ponerlo fuera del alcance de la misión. WFIRST encontrará planetas que tienen la masa de la Tierra e incluso más pequeños, tal vez incluso grandes lunas, como la luna de Júpiter, Ganímedes.

WFIRST encontrará planetas en otras categorías poco estudiadas, también. La microlente es la más adecuada para encontrar mundos desde la zona habitable de su estrella y más lejos. Esto incluye gigantes de hielo, como Urano y Neptuno en nuestro sistema solar, e incluso planetas rebeldes, mundos que deambulan libremente por la galaxia sin estar ligados a ninguna estrella.

Si bien los gigantes de hielo son una minoría en nuestro sistema solar, un estudio de 2016 indicó que pueden ser el tipo de planeta más común en toda la galaxia. WFIRST pondrá esa teoría a prueba y nos ayudará a comprender mejor qué características planetarias son más frecuentes.

Gemas ocultas en el núcleo galáctico

WFIRST explorará regiones de la galaxia que aún no han sido rastreadas sistemáticamente en busca de exoplanetas debido a los diferentes objetivos de misiones anteriores. Kepler, por ejemplo, buscó una región de tamaño modesto de aproximadamente 100 grados cuadrados con 100, 000 estrellas a distancias típicas de alrededor de mil años luz. TESS escanea todo el cielo y rastrea 200, 000 estrellas, sin embargo, sus distancias típicas rondan los 100 años luz. WFIRST buscará aproximadamente 3 grados cuadrados, pero seguirá 200 millones de estrellas a distancias de alrededor de 10, 000 años luz.

Dado que WFIRST es un telescopio infrarrojo, verá a través de las nubes de polvo que impiden que otros telescopios estudien planetas en la abarrotada región central de nuestra galaxia. La mayoría de las observaciones de microlentes desde tierra hasta la fecha se han realizado en luz visible, haciendo que el centro de la galaxia sea un territorio de exoplanetas en gran parte inexplorado. Una encuesta de microlente realizada desde 2015 utilizando el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido (UKIRT) en Hawái está allanando el camino para el censo de exoplanetas de WFIRST al trazar un mapa de la región.

La encuesta UKIRT está proporcionando las primeras mediciones de la tasa de eventos de microlentes hacia el núcleo de la galaxia, donde las estrellas están más densamente concentradas. Los resultados ayudarán a los astrónomos a seleccionar la estrategia de observación final para el esfuerzo de microlentes de WFIRST.

El objetivo más reciente del equipo de UKIRT es detectar eventos de microlentes mediante el aprendizaje automático, que será vital para WFIRST. La misión producirá una cantidad tan grande de datos que no será práctico analizarlos únicamente a simple vista. Agilizar la búsqueda requerirá procesos automatizados.

Los resultados adicionales de UKIRT apuntan a una estrategia de observación que revelará la mayor cantidad de eventos de microlentes posibles mientras evita las nubes de polvo más espesas que pueden bloquear incluso la luz infrarroja.

"Nuestra encuesta actual con UKIRT está sentando las bases para que WFIRST pueda implementar la primera encuesta de microlentes dedicada basada en el espacio, "dijo Savannah Jacklin, astrónomo de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee que ha dirigido varios estudios UKIRT. "Las misiones de exoplanetas anteriores ampliaron nuestro conocimiento de los sistemas planetarios, y WFIRST nos acercará un paso gigante hacia la comprensión real de cómo se forman y evolucionan los planetas, en particular los que se encuentran dentro de las zonas habitables de sus estrellas anfitrionas ".

De enanas marrones a agujeros negros

El mismo estudio de microlente que revelará miles de planetas también detectará cientos de otros objetos cósmicos extraños e interesantes. Los científicos podrán estudiar cuerpos que flotan libremente con masas que van desde la de Marte hasta 100 veces la del Sol.

El extremo inferior del rango de masa incluye planetas que fueron expulsados ​​de sus estrellas anfitrionas y ahora deambulan por la galaxia como planetas rebeldes. Luego están las enanas marrones, que son demasiado masivos para ser caracterizados como planetas, pero no lo suficientemente masivos como para encenderse como estrellas. Las enanas marrones no brillan visiblemente como estrellas, pero WFIRST podrá estudiarlos en luz infrarroja a través del calor sobrante de su formación.

Los objetos en el extremo superior incluyen cadáveres estelares (estrellas de neutrones y agujeros negros) que quedan cuando las estrellas masivas agotan su combustible. Estudiarlos y medir sus masas ayudará a los científicos a comprender más sobre la agonía de las estrellas y, al mismo tiempo, proporcionará un censo de los agujeros negros de masa estelar.

"El estudio de microlentes de WFIRST no solo mejorará nuestra comprensión de los sistemas planetarios, "dijo Penny, "También permitirá una gran cantidad de otros estudios de la variabilidad de 200 millones de estrellas, la estructura y formación de la Vía Láctea interior, y la población de agujeros negros y otros oscuros, objetos compactos que son difíciles o imposibles de estudiar de otra manera ".

La Ley de Asignaciones Consolidadas del FY2020 financia el programa WFIRST hasta septiembre de 2020. La solicitud de presupuesto del FY2021 propone terminar la financiación para la misión WFIRST y centrarse en la finalización del Telescopio Espacial James Webb. ahora está previsto su lanzamiento en marzo de 2021. La Administración no está lista para continuar con otro telescopio multimillonario hasta que Webb se haya lanzado y desplegado con éxito.