Detección directa de exolunas

• Título: The Center of Light: Spectroastrometric Detection of Exomoons
• Autores: Eric Agol, Tiffany Jansen, Brianna Lacy, Tyler D. Robinson, Victoria Meadows
• Institución del primer autor: University of Washington Astrobiology Program & NASA Astrobiology Institute’s Virtual Planetary Laboratory
• Astrobite original: Direct Detection of Exomoons, por Michael Zevin

Fig 1. Imagen simulada de espectroastrometría. El panel de la izquierda representa longitudes de onda cortas, donde domina la emisión del planeta; el de la derecha representa longitudes de onda más largas donde domina la luna. Estas longitudes de onda representan una banda en la cual el planeta absorbe la mayoría de la luz. Figura 1 del artículo.

Existen 182 lunas (y contando) en nuestro sistema solar. Éstas vienen en todos los tamaños, formas y composiciones. De hecho, existen más lunas en nuestro sistema solar con agua líquida que planetas. Un estudio reciente propone que tanto Europa, una de las lunas de Júpiter, y Encelado, luna de Saturno, tienen un océano de agua liquida debajo de su cubierta de hielo. Eso significa que ambas ofrecen las mejores condiciones para encontrar vida en nuestro sistema solar. A pesar de no contar con las herramientas para explorar debidamente las lunas de nuestro sistema solar, los astrónomos ya están buscando maneras de estudiar lunas alrededor de planetas fuera del sistema solar. Estas son conocidas como exolunas. Son muchos los factores que determinan si una exoluna es habitable, pero la abundancia de planetas de gas gigantes que se han descubierto orbitando la “zona habitable” de sus estrellas puede indicar la existencia de muchas lunas rocosas con climas templados, además de lunas fuera de la “zona habitable” pero calentadas por las interacciones con su planeta.

A pesar de que no se ha descubierto ninguna, los intentos para detectar estos satélites extrasolares orbitando exoplanetas continúa. La mayoría de las técnicas para detectarlas se basan en identificar perturbaciones en la señal de tránsito de los exoplanetas. El artículo de hoy discute el futuro de la detección de exolunas, e investiga cómo telescopios futuros podrían detectar directamente las exolunas. Los autores consideran una técnica llamada “espectroastrometría”. Como su nombre indica, esta técnica combina el análisis espectral con la astrometría. La idea principal es que la exoluna es más brillante que el planeta en ciertas longitudes de onda, y a su vez el planeta es más brillantes en otras longitudes. Si el telescopio es lo suficientemente grande, con una buena resolución espectral y si es posible bloquear la luz de la estrella con un coronograma, entonces es posible estudiar la interacción exoluna-exoplaneta observándola en diferentes longitudes de onda. La figura 1 demuestra la idea.

Fig. 2. Flujo del sistema similar a la Tierra-Luna orbitando Alpha Centauri en función de la longitud de onda en micrones. La parte superior muestra la densidad de flujo de la tierra (azul) y de la luna (gris). El inferior muestra el porcentaje de la densidad de flujo debido a la luna en función de la longitud de onda. Es notable la absorción debido a la presencia de oxígeno, agua y dióxido de carbono en la atmósfera terrestre. El espetro lunar es gobernado por la emisión solar reflejada y emisión termal. Figura 2 del artículo.

La técnica de detección de exolunas a través de espectroastrometría fue analizada usando dos ejemplos de sistemas exoluna-exoplaneta orbitando la zona habitable de una estrella. El primer caso es un sistema similar a laTierra-Luna orbitando a Alpha Centauri (a una distancia de 1.34 pársec). El segundo caso consiste de un planeta Joviano con una luna del tamaño de la nuestra orbitando una estrella como nuestro sol a 10 pársecs de distancia. La figura 2 muestra parte del espectro para el primer caso, con el sistema como el de la Tierra-Luna. Claramente hay partes del espectro donde el flujo de la luna y el del planeta dominan el flujo total. Esas longitudes de ondas serían las adecuadas para realizar el análisis de espectroastrometria. En el infrarrojo, la frecuencia a la cual la luna dominaría es a 2.7 micrones (figura 2), donde la atmósfera de la tierra absorbe la mayoría de la luz. A esta longitud de onda la luna es responsable del 98.8 % del total de emisión en el sistema. Comparar la posición del sistema en esta frecuencia con otras ondas donde el planeta domina, nos permitiría estudiar la separación espacial del exoplaneta y su luna (figura 1).

Ninguno de los telescopios actuales tienen la resolución necesaria, y futuras misiones como el JWST (con un espejo de 6.5 metros)  tampoco tendrán la resolución angular necesaria. Por ejemplo, la resolución angular necesaria para estudiar el primer caso, el sistema similar al de la Tierra orbitando a Alpha Centauri, seria de ~2 miliarcosegundos en el infrarrojo. El telescopio Hubble en el infrarrojo (espejo de 2.4 metros) puede separar objectos con una separación de ~100 miliarcosegundos. Además de que no está equipado con el equipo necesario para bloquear la luz de la estrella principal. Sin embargo, telescopios en planes futuros como el High-Definition Space Telescope tendrán la capacidad necesaria para realizar espectroastrometría de estos sistemas. La figura 3 muestra el tamaño necesario de un telescopio infrarrojo (y equipado con un instrumento para bloquear la luz de la estrella) para poder detectar una exoluna del tamaño de la terrestre en un sistema cercano al nuestro orbitando a un Júpiter templado utilizando espectroastrometría. Una de las ventajas de este método es que nos permitiría no solo detectar la presencia de una exoluna, si no también, con un telescopio con suficiente resolución espacial  utilizando el espectro podríamos estudiar la atmósfera de la exoluna. Esto nos permitiría buscar biofirmas y estudiar su habitabilidad. Además las exolunas que podríamos estudiar con espectroastrometría  estarían relativamente cerca, así que el viaje a Pandora podría estar más cerca de lo pensado.

Fig 3. Diámetro mínimo para un telescopio espacial óptimo para poder detectar una luna similar a la terrestre orbitando un Júpiter templado con 5 sigma de certidumbre viendo en longitudes de ondas entre 0.45 y 0.89 micrones. Las estrellas cercanas (menos de 10 párcecs) están graficadas a sus respectivas distancias. La leyenda indica con el color el tipo de estrella, y la forma corresponde a si se han detectado o no exoplanetas en estas estrellas. Figura 12 del artículo.