Cualquiera que haya visto una aeronave en formación de vuelo puede apreciar la hazaña de mantenerse altamente sincronizado mientras está en el aire. En un trabajo patrocinado por el Programa de Exploración de Exoplanetas de la NASA (ExEP), ingenieros del Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, California, están llevando el vuelo en formación a un nuevo extremo.

Su trabajo marca un hito importante dentro de un programa más amplio para probar la viabilidad de una tecnología llamada sombra estelar. Aunque las sombras estelares nunca han volado al espacio, tienen el potencial de permitir observaciones innovadoras de planetas más allá de nuestro sistema solar, incluyendo imágenes de planetas tan pequeños como la Tierra.

Una futura misión de sombra estelar involucraría dos naves espaciales. Uno sería un telescopio espacial en busca de planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar. La otra nave espacial volaría unos 25, 000 millas (40, 000 kilómetros) frente a él, llevando un gran, sombra plana. La sombra se desplegaría como una flor en flor, con "pétalos", y bloquearía la luz de una estrella, permitiendo que el telescopio tenga una visión más clara de cualquier planeta en órbita. Pero funcionaría solo si las dos naves espaciales se quedaran, a pesar de la gran distancia que los separa, alineados a menos de 3 pies (1 metro) entre sí. Ya no, y la luz de las estrellas se filtraría alrededor de la pantalla estelar hacia la vista del telescopio y abrumaría a los exoplanetas débiles.

"Las distancias de las que estamos hablando para la tecnología de sombreado estelar son difíciles de imaginar, ", dijo el ingeniero del JPL Michael Bottom." Si la pantalla estelar se redujera al tamaño de una montaña rusa, el telescopio tendría el tamaño de un borrador de lápiz y estarían separados por unos 100 kilómetros [60 millas]. Ahora imagina que esos dos objetos flotan libremente en el espacio. Ambos están experimentando estos pequeños tirones y empujones de la gravedad y otras fuerzas, y sobre esa distancia estamos tratando de mantenerlos alineados con precisión dentro de unos 2 milímetros ".

Los investigadores han encontrado miles de exoplanetas sin el uso de una pantalla estelar, pero en la mayoría de los casos los científicos han descubierto estos mundos indirectamente. El método de tránsito, por ejemplo, detecta la presencia de un planeta cuando pasa frente a su estrella madre y provoca una caída temporal en el brillo de la estrella. Solo en relativamente pocos casos los científicos han tomado imágenes directas de exoplanetas.

Bloquear la luz de las estrellas es clave para realizar imágenes más directas y, finalmente, para realizar estudios en profundidad de atmósferas planetarias o encontrar pistas sobre las características superficiales de los mundos rocosos. Dichos estudios tienen el potencial de revelar signos de vida más allá de la Tierra por primera vez.

Buscando sombra

La idea de usar una pantalla estelar basada en el espacio para estudiar exoplanetas se propuso inicialmente en la década de 1960. cuatro décadas antes del descubrimiento de los primeros exoplanetas. Y aunque la capacidad de apuntar una sola nave espacial de manera constante a un objeto distante no es nueva, cualquiera, mantener dos naves espaciales alineadas entre sí hacia un objeto de fondo representa un tipo diferente de desafío.

Investigadores que trabajan en el desarrollo de tecnología Starshade de ExEP, conocido como S5, La NASA ha encargado el desarrollo de la tecnología de sombreado estelar para posibles futuras misiones de telescopios espaciales. El equipo S5 está abordando tres brechas tecnológicas que deberían cerrarse antes de que una misión de sombra estelar pueda estar lista para ir al espacio.

El trabajo realizado por Bottom y su compañero en el JPL, Thibault Flinois, cierra una de esas brechas al confirmar que los ingenieros podrían producir de manera realista una misión de sombra estelar que cumpliera con estos estrictos requisitos de "detección y control de formaciones". Sus resultados se describen en el informe S5 Milestone 4, disponible en el sitio web del ExEP.

Entra en formación

Los detalles de una misión de sombra estelar en particular, incluida la distancia exacta entre las dos naves espaciales y el tamaño de la sombra, dependerían del tamaño del telescopio. El informe S5 Milestone 4 analizó principalmente un rango de separación de entre 12, 500 a 25, 000 millas (20, 000 a 40, 000 kilómetros), con una sombra de 85 pies (26 metros) de diámetro. Estos parámetros funcionarían para una misión del tamaño del Telescopio de reconocimiento infrarrojo de campo amplio de la NASA (WFIRST), un telescopio con un espejo primario de 2,4 metros de diámetro que se lanzará a mediados de la década de 2020.

WFIRST llevará una tecnología diferente de bloqueo de la luz de las estrellas, llamado coronógrafo, que se encuentra dentro del telescopio y ofrece sus propias fortalezas únicas en el estudio de exoplanetas. Esta demostración de tecnología será el primer coronógrafo estelar de alto contraste en ir al espacio, permitiendo a WFIRST obtener imágenes directamente de exoplanetas gigantes similares a Neptuno y Júpiter.

Las tecnologías Starshade y Coronagraph funcionan por separado, pero Bottom probó una técnica mediante la cual WFIRST podía detectar cuando una hipotética sombra estelar se desalineaba sutilmente. Una pequeña cantidad de luz estelar se doblaría inevitablemente alrededor de la pantalla estelar y formaría un patrón de luz y oscuridad en la parte frontal del telescopio. El telescopio vería el patrón usando una cámara de pupila, que puede tomar imágenes de la parte frontal del telescopio desde el interior, similar a fotografiar un parabrisas desde el interior de un automóvil.

Investigaciones anteriores de las sombras estelares habían considerado este enfoque, pero Bottom lo hizo realidad construyendo un programa de computadora que podía reconocer cuándo el patrón de luz y oscuridad estaba centrado en el telescopio y cuándo se había desviado del centro. Bottom descubrió que la técnica funciona muy bien como una forma de detectar el movimiento de la sombra estelar.

"Podemos sentir un cambio en la posición de la sombra estelar hasta una pulgada, incluso a través de estas enormes distancias, "Dijo Bottom.

Pero detectar cuándo la sombra estelar está desalineada es una propuesta completamente diferente a mantenerla realmente alineada. Con ese fin, Flinois y sus colegas desarrollaron un conjunto de algoritmos que utilizan la información proporcionada por el programa de Bottom para determinar cuándo deben dispararse los propulsores de la sombra estelar para devolverlos a su posición. Los algoritmos se crearon para mantener de forma autónoma la pantalla estelar alineada con el telescopio durante días.

Combinado con el trabajo de Bottom, esto muestra que mantener las dos naves espaciales alineadas es factible utilizando sensores automatizados y controles de propulsión. De hecho, el trabajo de Bottom y Flinois demuestra que los ingenieros podrían satisfacer razonablemente las demandas de alineación de una pantalla estelar aún más grande (en conjunto con un telescopio más grande), posicionado hasta 46, 000 millas (74, 000 kilómetros) del telescopio.

"With such an unusually large range of scales at play here, it can be very counterintuitive that this would be possible at first glance, " Flinois said.

A starshade project has not yet been approved for flight, but one could potentially join WFIRST in space in the late 2020s. Meeting the formation-flying requirement is just one step toward demonstrating that the project is feasible.

"This to me is a fine example of how space technology becomes ever more extraordinary by building upon its prior successes, " said Phil Willems, manager of NASA's Starshade Technology Development activity. "We use formation flying in space every time a capsule docks at the International Space Station. But Michael and Thibault have gone far beyond that, and shown a way to maintain formation over scales larger than Earth itself."