Ocultaciones estelares con las lunas de Galileo

Título del artículo original: Milliarcsecond astrometry for the Galilean moons using stellar occultations
Autores: B. E. Morgado, A. R. Gomes-Júnior, F. Braga-Ribas, R. Vieira-Martins, J. Desmars, V. Lainey, E. D’aversa, D. Dunham, J. Moore, K. Baillié, D. Herald, M. Assafin, B. Sicardy, S. Aoki, J. Bardecker, J. Barton, T. Blank, D. Bruns, N. Carlson, R. W. Carlson, K. Cobble, J. Dunham, D. Eisfeldt, M. Emilio, C. Jacques, T. C. Hinse, Y. Kim, M. Malacarne, P. D. Maley, A. Maury, E. Meza, F. Oliva, G. S. Orton, C. L. Pereira, M. Person, C. Plainaki, R. Sfair, G. Sindoni, M. Smith, E. Sussenbach, P. Stuart, J. Vrolijk, O. C. Winter
Institución del primer autor: Observatorio Nacional (MCTI), Río de Janeiro, Brasil.
Estado de la publicación: Aceptado para publicación en The Astronomical Journal, acceso abierto en arXiv.org.

Desde la invención del telescopio a principios del Siglo XVII, nuestra comprensión del Universo ha estado inexorablemente ligada a este invento. Con cada gran avance tecnológico del telescopio, la ciencia de la astronomía ha dado un gran salto teórico también. Por ejemplo, William Herschel descubrió Urano usando un poderoso telescopio de su propia construcción. Edwin Hubble descubrió la expansión del Universo usando el telescopio más grande del mundo en 1929. Galileo Galilei descubrió las famosas lunas clásicas de Júpiter que hoy llevan su nombre: las lunas de Galileo o galileanas, en 1610. Estas son cuatro, y se llaman Ío, Calisto, Ganimides, y Europa, nombradas por amantes mitológicas del dios Júpiter, o Zeus en la mitología griega.

Las lunas galileanas son muy interesantes. Su descubrimiento es evidencia de que no todos los objetos celestiales orbitan en torno a la Tierra, como se creía en aquellos tiempos, siguiendo la teoría geocéntrica de Ptolomeo. Las cuatro lunas son extremadamente diferentes entre sí, y por diversos motivos, son objetos de gran interés. Ío es el objeto más volcánico del Sistema Solar. Calisto es del tamaño de Mercurio, pero bastante menos masiva. Es la más prometedora para una base humana. Europa y Ganimides tienen océanos líquidos bajo una corteza de hielo. Existe la posibilidad de que haya vida en sus mares. Evidentemente, las lunas galileanas son increíblemente importantes y hay planes para estudiarlas desde más cerca. La agencia espacial Europea ESA planea enviar una sonda llamada JUICE en 2023, con la misión de estudiar Europa, Calisto y Ganimides. NASA lanzará Europa Clipper en 2024, la cual estudiará la superficie de Europa. Los autores del artículo de hoy intentan apoyar a esas misiones con mediciones increíblemente precisas de las posiciones, formas y tamaños de las lunas galileanas.

Alineamiento celestial

Para poder enviar las sondas JUICE y Europa Clipper a las lunas galileanas, es fundamental tener conocimiento previo, preciso y detallado. Se necesitan sus posiciones, velocidades, órbitas y tamaños, entre otras cosas. Observaciones directas de las lunas galileanas son útiles, pero sufren del problema que Júpiter siempre está ahí, saturando el chip de la cámara del telescopio. Es como intentar sacarle una foto a una mosca al lado de un fuego, en la noche. El fuego es demasiado brillante y la mosca demasiado pequeña. Para poder esquivar el problema, los autores utilizaron una técnica donde la observación directa de las lunas no fue necesaria. Utilizaron la técnica de ocultación.

Una ocultación ocurre cuando un objeto celestial pasa frente a otro, tapándolo total o parcialmente. Un eclipse es un ejemplo de una ocultación. En la Figura 1 también podemos ver una ocultación, en este caso entre dos lunas de Saturno. Los autores utilizaron esta técnica, usando las lunas galileanas como el objeto frontal, y estrellas brillantes en el fondo como el objeto trasero. Cuando las lunas pasaron frente a las estrellas, ocultándolas, su luz disminuyó y el cambio en el flujo de luz se pudo medir muy precisamente, sin tener a Júpiter en la imagen. No sólo eso, sino además la técnica no es sensible al albedo de la luna (cuán reflectiva es su superficie). El albedo de las lunas cambia con la temporada del año y la posición del Sol. La técnica requiere de cierto conocimiento de antemano acerca de la posición de las lunas galileanas y de las estrellas de fondo, para poder predecir cuando la ocultación va a tener lugar. La posición y brillo de las estrellas era conocido con mucha precisión gracias al telescopio espacial Gaia.

Las observaciones fueron realizadas entre 2019 y 2021 por astrónomos amateur, en seis campañas de ciencia ciudadana. Los astrónomos amateur utilizaron sus propios telescopios. Tres de las seis campañas resultaron en detecciones positivas. Júpiter estaba pasando frente al centro de la Vía Láctea entre 2019 y 2021, lo que proporcionó muchas posibles ocultaciones. Esta situación no se volverá a repetir sino hasta 2030, ya que el año de Júpiter dura 12 años terrestres. Los autores también utilizaron dos ocultaciones que ocurrieron en 2016 y 2017, rehaciendo el análisis de aquellos datos.

Observando las ocultaciones

De las seis campañas de observación que los autores organizaron, tres obtuvieron al menos una detección positiva de la ocultación de una estrella de fondo. Entre más observaciones se tienen de una misma ocultación, mejores serán los datos. La separación geográfica de los astrónomos amateur es muy importante también. En la Figura 3 podemos ver un ejemplo de una ocultación con varios observadores.

Los autores analizaron los datos obtenidos por los astrónomos amateur. Los datos muestran que el brillo de la estrella disminuye durante la ocultación. No desaparece por completo por que la misma luna emite su propia luz, más el ruido propio de una cámara astronómica. La técnica es más precisa entre más luminosa es la estrella.

Utilizando esta técnica, los autores lograron obtener posiciones y tamaños más precisos que antes. Sus errores son tan sólo de ~6 kilómetros, lo que es impresionante considerando que Júpiter está a 600 millones de kilómetros como mínimo. Estas mediciones serán importantísimas para ESA y NASA cuando envíen sus misiones a las lunas galileanas en 2023 y 2024.