La NASA ha indicado que se han confirmado 5.030 planetas extrasolares en 3.772 sistemas, con otros 8.974 candidatos a la espera de confirmación. Con la puesta en marcha de instrumentos de próxima generación como el Telescopio Espacial James Webb (JWST), se espera que la cantidad y diversidad de exoplanetas confirmados crezca exponencialmente. En particular, los astrónomos anticipan que la cantidad de planetas terrestres y supertierras conocidos aumentará drásticamente.

En los próximos años, las oportunidades para los estudios de exoplanetas aumentarán considerablemente a medida que se descubran miles más. En un estudio reciente, un equipo dirigido por la Academia de Ciencias de China (CAS) describió un nuevo concepto de telescopio espacial conocido como Encuesta de exoplanetas habitables cercanos (CHES). Este observatorio propuesto buscará planetas similares a la Tierra en las zonas habitables (HZ) de estrellas similares al Sol dentro de aproximadamente 33 años luz (10 parsecs) utilizando un método conocido como astrometría relativa de microsegundos de arco.

La rama de la astronomía conocida como astrometría consiste en tomar medidas precisas de las posiciones y movimientos propios de los cuerpos celestes comparándolos con estrellas de referencia de fondo. Ejemplos de este método incluyen el Observatorio Gaia de la ESA, que ha estado midiendo el movimiento de 1.000 millones de estrellas en la Vía Láctea (así como 500.000 cuásares distantes) desde 2013. Estos datos se utilizarán para crear el mapa tridimensional más preciso de nuestra galaxia jamás haya hecho.

En este caso, investigadores de la Academia de Ciencias de China (CAS) y múltiples observatorios y universidades chinas proponen un telescopio espacial que podría tomar medidas de astrometría de alta precisión de estrellas similares al Sol para detectar exoplanetas que las orbitan. La misión CHES propuesta operará en el punto L2 Lagrange sol-Tierra, donde reside actualmente el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, y observará las estrellas objetivo durante cinco años. Estos objetivos incluirán 100 estrellas dentro de los 33 años luz del sistema solar que se clasifican en los tipos F, G y K.

Mientras que las estrellas de tipo F (enanas amarillas y blancas) son más calientes, más brillantes y más masivas que nuestro sol, las estrellas de tipo G (enanas amarillas) son consistentes con nuestro sol, una estrella G2V de secuencia principal. Mientras tanto, las estrellas de tipo K (enanas naranjas) son ligeramente más tenues, más frías y menos masivas que nuestro sol. Para cada estrella que observe, CHES medirá las perturbaciones pequeñas y dinámicas inducidas por los exoplanetas en órbita, lo que proporcionará estimaciones precisas de sus masas y períodos orbitales.

Como observatorio basado en el espacio, CHES no estará sujeto a interferencias debido a la precesión de la Tierra y la atmósfera y podrá realizar mediciones astrométricas lo suficientemente precisas como para caer en el dominio de los microsegundos de arco. El Dr. Jianghui Ji es profesor en el Laboratorio Clave de Ciencias Planetarias de CAS en Nanjing, la Universidad de Ciencia y Tecnología, y el autor principal del estudio. Como le dijo a Universe Today por correo electrónico:

"Para un planeta de la masa de la Tierra a 1 UA alrededor de una estrella de tipo solar a 10 pc, la oscilación astrométrica de la estrella causada por el Gemelo de la Tierra es de 0,3 microsegundos de arco. Por lo tanto, se requiere la medición del nivel de microsegundos de arco. La astrometría relativa para CHES puede medir con precisión la separación angular a nivel de microsegundos de arco entre una estrella objetivo y 6 u 8 estrellas de referencia. Según las mediciones de estos pequeños cambios, podemos detectar si hay planetas terrestres a su alrededor".

Específicamente, CHES realizará las primeras mediciones directas de las verdaderas masas e inclinaciones de los análogos de la Tierra y las súper-Tierras que orbitan dentro de la ZH de sus estrellas y se consideran "potencialmente habitables". La carga útil principal para esta misión, dijo el Dr. Ji, es un espejo de alta calidad con un diámetro de 1,2 metros (ft) y un campo de visión (FOV) de 0,44° x 0,44°. Este espejo es parte de un sistema coaxial de anastigmatismo de tres espejos (TMA), donde se utilizan tres espejos curvos para minimizar las aberraciones ópticas.

CHES también se basa en dispositivos de acoplamiento de carga de mosaico (CCD) y la técnica de metrología láser para realizar mediciones astrométricas en el rango de 500 nm ~ 900 nm, que abarca la luz visible y el espectro infrarrojo cercano. Estas capacidades ofrecerán ventajas significativas en comparación con el método de tránsito, que sigue siendo el medio más utilizado y efectivo para detectar exoplanetas. En este método, las estrellas se monitorean en busca de caídas periódicas en la luminosidad, que son posibles indicaciones de planetas que pasan frente a la estrella (también conocido como tránsito) en relación con el observador.

Además, CHES ayudará en la transición que se está produciendo actualmente en los estudios de exoplanetas, donde el enfoque está cambiando del proceso de descubrimiento a la caracterización. Como explicó el Dr. Ji:

"Primero, CHES llevará a cabo un estudio exhaustivo de las estrellas cercanas de tipo solar a 10 PC de distancia de nosotros y detectará todos los planetas similares a la Tierra en la zona habitable a través de la astrometría, en el caso de que el método de tránsito no pueda hacerlo (como TESS o PLATO). [Esto] requiere las órbitas de canto de los planetas con respecto a la línea de visión de los observadores.

"En segundo lugar, CHES ofrecerá las primeras mediciones directas de masas reales para 'Gemelos de la Tierra' y súper-Tierras que orbitan alrededor de nuestras estrellas vecinas, en las que la masa planetaria realmente importa para caracterizar un planeta. En comparación, el [método de tránsito] generalmente puede proporcionar el radio del planeta y debe confirmarse mediante otros métodos terrestres, como la velocidad radial.

"Finalmente, CHES proporcionará órbitas tridimensionales (por ejemplo, inclinaciones) de planetas terrestres, que también actúan como otro índice crucial involucrado en la formación y caracterización planetaria".

Estas capacidades ayudarán a los astrónomos a ampliar enormemente el censo actual de exoplanetas, que consiste predominantemente en gigantes gaseosos (como Júpiter o Saturno), mini-Neptunos y súper-Tierras. Pero con la resolución y sensibilidad mejoradas de los instrumentos de próxima generación, los astrónomos anticipan que la cantidad de análogos de la Tierra crecerá exponencialmente. También mejorará nuestra comprensión de la naturaleza diversa de los planetas que orbitan estrellas similares al Sol y arrojará luz sobre la formación y evolución del sistema solar.

Pero los beneficios de una misión de astrometría basada en el espacio de próxima generación no terminan ahí. Como indicó el Dr. Ji, podrá ayudar con las encuestas que se basan en el segundo método de detección de exoplanetas más popular y efectivo, conocido como el método de velocidad radial (también conocido como espectroscopia Doppler). Para este método, los astrónomos observan las estrellas en busca de signos de movimiento aparente de un lado a otro ("bamboleo") como resultado de la influencia gravitatoria de los planetas en órbita. El Dr. Ji dijo:"Además, CHES puede realizar mediciones conjuntas con instrumentos de velocidad radial de alta precisión, como el Telescopio Extremadamente Grande (ELT) y el Telescopio de Treinta Metros (TMT). [También puede] verificar candidatos a planetas habitables descubiertos por [este método], y caracterizar con precisión las masas planetarias y los parámetros orbitales".

Más allá de eso, CHES ayudará a hacer avanzar las fronteras de la astronomía y la cosmología ayudando en la búsqueda de materia oscura, el estudio de agujeros negros y otros campos de investigación. Esta investigación proporcionará nuevos conocimientos sobre la física que gobierna nuestro universo, la formación y evolución de los sistemas planetarios y los orígenes de la vida misma. Otros observatorios, como el telescopio espacial romano Nancy Grace (y el ELT y el TMT), podrán realizar estudios de imágenes directas de exoplanetas más pequeños que orbitan más cerca de sus estrellas, precisamente donde se espera que se encuentren los planetas rocosos HZ.

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