Mirando más allá del Telescopio Espacial James Webb

Título: Report of the Kavli IAU Workshop on Global Coordination: Future Space-Based Ultraviolet-Optical-Infrared Telescopes
Autores: Debra Elmegreen, Ewine van Dishoeck, David Spergel y Roger Davies
Institución del primer autor: Grupo de trabajo en la Coordinación Global de Astrofísica Terrestre y Expacial, Unión Astronómica Internacional (IAU)
Estatus: Published on arXiv, [acceso abierto]
Astrobite original: Looking beyond the James Webb Space Telescope por Amber Hornsby

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Figura 1. Comparación de los espejos del telescopio Hubble y Hershcell con el próximo James Webb Space Telescope. Crédito: ESA.

Una de las mejores cosas de ser un científico el día de hoy es el ser parte de una enorme y colaborativa comunidad. A través del intercambio de ideas en conferencias alrededor del mundo y de la publicación de artículos científicos, como arXiv, se forman colaboraciones que de otra forma hubieran sido poco probables de realizarse. Esto muchas veces da como resultado una mejor producción científica. Más aun, en una época en la que los costos de facilidades de punta e innovadoras misiones espaciales se han elevado a los miles de millones (de dólares), la colaboración y cooperación global son vitales si queremos continuar ampliando la frontera de lo que conocemos sobre nuestro “pequeño punto azul pálido” y el universo que lo contiene. El astrobito de hoy se enfoca en un taller reciente, realizado por la Unión Astronómica Internacional (IAU, por sus siglas en Inglés), para discutir el futuro de los telescopios espaciales Ultravioletas-Optico-Infrarrojo (UVOIR, por sus siglas en Inglés), más específicamente la motivación científica principal para tal telescopio y cómo encaja en los planes a largo término de las misiones espaciales.

¿Hay alguien allá afuera?

Cuando se trata de las grandes preguntas en la ciencia, es difícil llegar a algo más fundamental que uno de los mayores impulsores de la exploración espacial que tenemos – ¿Estamos solos en el universo? Con un catálogo de exoplanetas potencialmente habitables en contínuo incremento y la tecnología avanzando a una velocidad impresionante, seguramente nos encontramos alcanzando una era en la que es posible encontrar signos de vida extra-terrestre. Una oportunidad prometedora yace en el estudio de atmósferas exoplanetarias al buscar por la caracterización de rasgos indicativos de vida. Para tener confianza en dichas observaciones, predicciones actuales sugieren que un telescopio espacial debe tener un espejo con un diámetro mayor a 10 m, preferiblemente 12 m. Para entrar en contexto, el espejo más grande en el espacio pertenece al telescopio espacial infrarrojo Herschel (ahora fuera de servicio), el cual tiene 3.5 m de diámetro, pero el próximo año será reemplazado por el impresionante espejo de 6.5 m del Telescopio Espacial James Webb (James Webb Space Telescope). Claramente, una misión con un espejo mayor que éste requiere de un amplio apoyo.

¿Por qué necesitamos de estos grandes espejos?

Para investigar las atmósferas de los exoplanetas nos movemos hacia la espectroscopía. Un método, espectroscopía de tránsito, involucra esperar a que un planeta se desplace lentamente sobre el disco de su estrella huésped, así la luz de la estrella viajará a través de la atmósfera del planeta antes de llegar a nuestros detectores, con lo que observaremos qué longitudes de onda han sido absorvidas por la atmósfera del planeta (ver astrobites en Inglés en este tema). Sin embargo este método sólo sirve para planetas que se encuentran cerca de su estrella madre, los llamados Júpiters calientes, lo que significa que no seremos capaces de detectar análogos terrestres (planetas similares a la Tierra) que son los que creemos ser más adecuados para albergar vida.

Figura 2. El contraste planeta/estrella para estrellas de tipo espectral F, G y K contra la separación aparente planeta/estrella. Esta imagen resalta los límites actuales y futuros de los experimentos sobre la observación directa de exoplanetas. HDST (en español Telescopio Espacial de Alta Definición) representa el deseado telescopio UVOIR. Figura 1 del artículo original, pero tomada del reporte “From Cosmic Birth to living Earths: The Future of UVOIR Space Astronomy”.

En los últimos años hemos progresado hacia observar directamente planetas al bloquear la luz de sus estrellas huéspedes usando un coronógrafo – tales experimentos requieren de espejos de grandes diámetros. Los experimentos basados en la Tierra pueden utilizar espejos enormes para buscar signos de vida, pero tienden a estar limitados por nuestra propia atmósfera y a enfocarse en planetas altamente contrastantes que se encuentran cerca de su estrella huésped – Júpiters calientes.

Los experimentos basados en telescopios espaciales están limitados por la logística del tamaño del espejo que se puede lanzar hacia el espacio, aunque el lado positivo es que no tienen la atmósfera terrestre. Esto significa que generalmente pueden detectar sistemas planetarios con menores contrastes planeta/estrella. Esto es aparente cuando miramos la Figura 2, mientras que los exoplanetas observados de forma directa y los límites intrumentales se concentran hacia la esquina superior derecha de la gráfica, los Júpiter calientes dominan, mientras que nuestro sistema solar se localiza hacia la esquina inferior izquierda en el hueco donde no existen actualmente experimentos de observación directa.

Ciencia complementaria

Las misiones espaciales son costosas y de alto consumo de tiempo, lo que significa que es importante ser capaces de encontrar metas científicas en una variedad de campos para poder justificar los costos e involucrar a una comunidad científica más amplia. Con un gran telescopio UVOIR en el espacio, muchas otras areas de la ciencia se beneficiarán incluyendo:
Estudios climáticos – la búsqueda por atmósferas que soporten la vida conlleva a un increíble catálogo de procesos atmosféricos, climas exoplanetarios y patrones climatológicos. Esta es una emocionante rama de la física que simplemente está esperando a que lleguen las herramientas adecuadas.
Orígenes cósmicos – otro tema de moda para las misiones espaciales futuras. El material del que se forman los planetas proviene de las estrellas alrededor de las cuales se formaron, y por lo tanto al detectar dichos elementos en exoplanetas directamente los relacionan con la evolución de nuesto universo.
Toma de imágenes de discos protoplanetarios – detectar planetas jóvenes embebidos (i.e. observar estructuras tan pequeñas como unas pocas unidades astronómicas) ha demostrado ser difícil hasta el momento, sin embargo las estadísticas de exoplanetas sugiere que todos los discos deberían de estar formando planetas.
Mapeo del medio intergaláctico – ser capaces de mapear elementos galácticos en estas logitudes de onda brindará conocimiento en procesos como la acreción y extinción (p.e. del material que se une para formar estrellas o el fenómeno que detiene la formación estelar), permitiendo explorar historias de formación estelar en diferentes ambientes.
Galaxias muy jóvenes y agujeros negros – un telescopio de 12 m capaz de observar regiones de 100 parsecs de tamaño en los límites del universo observable ayudaría a investigar la formación y evolución de objetos en la época de reionización (ver este astrobitos). Esto es terrritorio sin precedentes.

Encajando

Figura 3. Una selección de las misiones de NASA en órbita en Febrero del 2013, a lo largo del espectro electromagnético. Crédito: NASA

Una gran misión UVOIR sería una emocionante adición al arreglo de misiones espaciales actualmente propuestas y alguna en construcción, incluyendo:
Rayos-Gamma – presentada a la llamada M5 de la ESA, lee todo sobre la misión dedicada en rayos gamas en e-ASTRORAM o en astrobites.
Rayos-X – Después de la pérdida de Hitomi, la misión X-Ray Astronomy Recovery Mission se desarrolló para cubrir este hueco en rayos x.
Ultravioleta – Rusia, junto con España, se encuentra construyendo un telescopio de 1.7 m – WSO-UV– que permitirá realizar observaciones UV después del Hubble.
Infrarrojo – La misión de NASA en las etapas de plafinicación, el telescopio Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) pondrá a prueba muchas de las tecnologías que beneficiarán a los grandes telescopio UVOIR. SPICA es una misión dirigida por ESA y que se encuentra actualmente en consideración.

Estos son sólo algunos ejemplos, pero, de forma clara, no hay planes ya en ejecución para construir telescopios comparables con el James Webb Space Telescope. Existe un gran hueco en el mercado para un telescopio UVOIR, pero la experiencia y el dinero necesarios para desarrollar una misión de esta escala requiere de un acercamiento coordinado para que valga la pena. Este debe ser capaz de conseguir algo nuevo, mientras que complementa las capacidades observacionales actuales y futuras. Este taller representa el comienzo de este telescopio que tomará 20 años de vida para convertirse en una misión plenamente desarrollada, y aunque ningún instrumento en concreto ha comenzado a tomar forma, aún así es muy emocionante de leer.