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| Ariel, ¿una ventana al origen de la vida en la Tierra primitiva? |
En 1992 encontramos nuestros primeros exoplanetas en órbita de un púlsar. Desde entonces, hemos descubierto muchos miles más. Esos fueron los primeros pasos para identificar otros mundos que podrían albergar vida.
Ahora los científicos planetarios quieren dar el siguiente paso: estudiar las atmósferas de los exoplanetas.
La misión ARIEL de la ESA será una poderosa herramienta.
ARIEL significa Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey. Forma parte del programa Cosmic Vision de la Agencia Espacial Europea. El objetivo de ARIEL es examinar las atmósferas de unos 1.000 exoplanetas previamente confirmados. Estudiará la composición química y las estructuras térmicas de las atmósferas.
ARIEL se encuentra todavía en la fase de estudio del diseño y su fecha provisional de lanzamiento no es hasta 2028. Los planificadores de la misión todavía están trabajando en algunos de los detalles críticos de la misión. Uno de esos detalles es la programación automática, y un nuevo documento examina esas técnicas y cómo podría funcionar la misión.
El autor principal es Juan Carlos Morales, investigador del Institut de Ci`encies de l'Espai de Barcelona, España. El artículo está disponible en el sitio de preimpresión arxiv.org.
La NASA diseñó misiones como Kepler y TESS para encontrar exoplanetas, que han tenido éxito. Pero la misión de ARIEL se dedica a estudiar exoplanetas. Pasará su tiempo observando exoplanetas conocidos en lugar de escudriñar el cielo en busca de más.
ARIEL abordará varias cuestiones en la ciencia de los exoplanetas. Explorará la composición de los exoplanetas, la formación y evolución de los sistemas planetarios y los procesos físicos que dan forma a las atmósferas de los exoplanetas.
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| Estamos acostumbrados a pensar en los exoplanetas en relación con los planetas de nuestro propio Sistema Solar. Pero la composición de los exoplanetas puede variar mucho. ARIEL nos ayudará a entenderlos mejor. Esta ilustración artística muestra la estructura interna teórica del exoplaneta GJ 3470 b. No se parece a ningún planeta del Sistema Solar. Con un peso de 12,6 masas terrestres, el planeta es más masivo que la Tierra pero menos que Neptuno. A diferencia de Neptuno, que se encuentra a 3.000 millones de kilómetros del Sol, GJ 3470 b puede haberse formado muy cerca de su estrella enana roja como un objeto seco y rocoso. A continuación, atrajo gravitatoriamente gas de hidrógeno y helio de un disco circunestelar para crear una gruesa atmósfera. El disco se disipó hace muchos miles de millones de años y el planeta dejó de crecer. La ilustración inferior muestra el disco tal y como era el sistema hace mucho tiempo. Las observaciones realizadas por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer de la NASA han analizado químicamente la composición de la atmósfera, muy clara y profunda, de GJ 3470 b, lo que ha dado pistas sobre el origen del planeta. En nuestra galaxia existen muchos planetas de esta masa. Crédito de la imagen: NASA. |
Los resultados científicos de ARIEL también pueden responder a otras preguntas. Una de esas preguntas es cómo empezó la vida en la Tierra.
La Tierra se formó del mismo modo que los exoplanetas: a partir de un disco protoplanetario. Pero las pruebas de los inicios de la vida hace tiempo que desaparecieron del registro geológico de la Tierra. La observación de los exoplanetas terrestres puede ayudar a responder a la pregunta sobre los orígenes de la vida. Si ARIEL puede mostrarnos cómo evolucionaron los entornos físicos y químicos en planetas similares a la Tierra, podemos obtener una visión de facto de la Tierra primitiva, cuando la vida comenzó.
Pero para lograr todo esto, ARIEL tiene que utilizar su tiempo sabiamente. Eso es lo que explora este nuevo trabajo.
"Las técnicas de programación automática se están convirtiendo en una herramienta crucial para la planificación eficiente de grandes estudios astronómicos", dice el artículo.
Las misiones anteriores, como Kepler y TESS, eran estudios. Estudiaban una zona predeterminada del cielo en busca de señales de tránsito. Pero ARIEL es diferente. No observará una zona predeterminada del cielo, sino una lista predeterminada de objetivos existentes. Dado que los diseñadores de la misión ya saben dónde están esos objetivos, cuándo transitarán delante de sus estrellas y cuándo se ocultarán detrás de ellas, la misión puede programarse con mayor precisión y eficacia. Sin embargo, la planificación de la misión también se ve limitada por el hecho de que no se basa en observaciones pasivas.
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| Este gráfico muestra la diferencia entre los tránsitos y las ocultaciones utilizando como ejemplo el exoplaneta WASP-189 b. Cuando un planeta pasa por delante de su estrella vista desde la Tierra, ésta parece más débil durante un breve periodo de tiempo. Este fenómeno se denomina tránsito. Cuando el planeta pasa por detrás de la estrella, la luz emitida y/o reflejada por el planeta queda oscurecida por la estrella durante un breve periodo de tiempo. Este fenómeno se denomina ocultación. Crédito: © ESA |
La ESA está diseñando la misión ARIEL para que dure cuatro años. "Llegamos a la conclusión de que Ariel podrá cumplir los objetivos científicos, es decir, caracterizar unas 1.000 atmósferas de exoplanetas, con un tiempo total de exposición que representa aproximadamente el 75-80% de la vida útil de la misión", escriben los autores.
ARIEL también observará algunos exoplanetas durante sus órbitas completas. Observará cómo varían sus espectros a medida que los planetas orbitan alrededor de sus estrellas. Se trata de las llamadas curvas de fase, que pueden ofrecer una imagen más detallada de la atmósfera de un exoplaneta que los tránsitos y las ocultaciones.
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| Los cambios en la luz estelar reflejada por un planeta a medida que orbita su estrella permiten conocer los procesos físicos que impulsan el transporte de calor desde el lado caliente del día al lado más frío de la noche. El análisis de las curvas de fase también revela detalles de la atmósfera del planeta, incluyendo la presencia de nubes, y posiblemente incluso indicios de la composición de las mismas. Crédito de la imagen: ESA |
Pero ARIEL debe equilibrar algo más que tránsitos, ocultaciones y curvas de fase. Otras operaciones como el mantenimiento de la órbita de la nave y las observaciones auxiliares también forman parte de la ecuación de programación. Los instrumentos de ARIEL deben recalibrarse periódicamente mediante la observación de estrellas brillantes de tipo G. La calibración podría llevar hasta 300 horas al año, aproximadamente el 3% de la misión. Las operaciones de mantenimiento de la estación llevarán unas cuatro horas al mes o 50 horas al año. Esto supone aproximadamente el 0,6% de la misión.
Todos estos factores limitan la programación. En su artículo, los autores discuten la heurística, los algoritmos y otros temas relacionados que van más allá del alcance de este artículo. Su método de programación implica una combinación de Computación Evolutiva, Algoritmos Genéticos, Algoritmos Evolutivos y un subconjunto de EC llamado inteligencia SWARM. Los lectores interesados pueden profundizar en el artículo.
Las tripas del programa ARIEL son la lista de objetivos. En este nuevo artículo, los autores trabajan con un programa de referencia de la misión (MRS), que es una combinación de objetivos de exoplanetas conocidos y objetivos que aún no han sido encontrados por TESS. Dividieron los objetivos en niveles basados en el tipo de observaciones que quieren hacer con los objetivos y el tiempo de observación que requieren. Por ejemplo, los objetivos del nivel uno incluyen todos los planetas del MRS con espectros de baja resolución, y el nivel dos es un subconjunto de unos 600 planetas de todo el MRS con espectros de resolución media. El nivel tres son 50 de los exoplanetas más interesantes que orbitan alrededor de estrellas brillantes y que se observarán durante más tiempo para obtener espectros de máxima resolución.
Los objetivos del nivel 3 tienen mayor prioridad que los del nivel 2, que tienen mayor prioridad que los del nivel 1. Es fácil ver lo complicada que puede llegar a ser la programación, y la razón por la que los diseñadores de la misión utilizan la IA y otros métodos afines para garantizar el mayor número de resultados científicos. Pero es aún más complicado, porque los diseñadores de la misión esperan poder completar otras observaciones fuera del MRS.
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| Esta figura muestra las posiciones en el cielo de los objetivos potenciales de ARIEL en tres niveles. Tener objetivos dispersos por todo el cielo es beneficioso para la programación de las observaciones. Crédito: Edwards et al. 2019. |
Los planetas de nivel 4 están fuera del MRS, pero son objetivos científicos extremadamente deseables. Son sistemas de periodo corto y los científicos quieren que ARIEL observe sus curvas de fase. Se programarán si no afectan a los objetivos científicos principales de la misión. Los autores han identificado 43 objetivos en el nivel 4 que se subdividen en tres niveles de prioridad.
También hay objetivos de reserva en caso de que ARIEL no pueda observar algunos de los planetas del MRS por diversas razones. Hay 1093 exoplanetas de reserva.
Este documento ofrece una interesante visión entre bastidores de la programación de las misiones, algo en lo que la mayoría de nosotros probablemente no dedicamos mucho tiempo a pensar. Pero una programación precisa y eficaz es fundamental para el éxito de una misión. Las simulaciones del equipo muestran que la misión ARIEL puede programarse con la suficiente eficacia como para cumplir casi todos sus objetivos científicos, e incluso superarlos. Como en toda misión, puede haber problemas, retrasos y dificultades inesperadas.
"La principal conclusión de las diferentes simulaciones de la planificación de la misión Ariel es que casi todos los objetivos del núcleo de la muestra pueden ser observados según lo solicitado, cumpliendo todos los requisitos y limitaciones de la misión y del sistema", escribe el equipo. "Sólo los objetivos que son observables pocas veces suponen un reto, y el planificador puede utilizarse para identificarlos fácilmente".
El equipo señala que algunas franjas horarias inactivas son inevitables debido a la complejidad de la programación y a las limitaciones duras y blandas de la misión. Pero incluso así, esas franjas de tiempo pueden aprovecharse al máximo volviendo a observar algunos objetivos para obtener datos más detallados. "De hecho, eligiendo sabiamente los objetivos a reobservar, es posible aumentar el número de objetivos bien caracterizados en la submuestra de nivel 3 en un factor de 2,5 euros, o bien sondear varios planetas más parecidos a Neptuno y a la Tierra considerados como objetivos de reserva".
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| Esta es una ilustración artística del exoplaneta LHS1140 c, que se encuentra a unos 50 años luz. Es un mundo potencialmente rocoso más grande que la Tierra. Los científicos no creen que sea potencialmente habitable, pero es un objetivo interesante por su composición y su densa atmósfera. Orbita alrededor de una estrella de tipo M (enana roja), más fría y tenue que nuestro Sol. Crédito de la imagen: NASA |
ARIEL llevará la ciencia de los exoplanetas un paso más allá de donde está ahora. En una entrevista de 2021 con Innovation News Network, la científica del proyecto ARIEL, Theresa Lueftinger, habló de algunas de las expectativas de la misión ARIEL y de la ciencia de los exoplanetas en general. "Estoy segura de que encontraremos cosas que no esperábamos o ni siquiera imaginábamos antes", dijo Lueftinger. "Eso ocurre en la ciencia con regularidad, especialmente en la ciencia de los exoplanetas. Esto es también lo que hace que nuestra vida, nuestra profesión y este campo de la ciencia sean tan apasionantes."
ARIEL es solo una de las tres misiones de exoplanetas de la ESA. CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite) se lanzó en 2019 y se centra en exoplanetas conocidos que orbitan alrededor de estrellas brillantes cercanas. Está observando planetas en el rango de tamaño de super-Tierra a Neptuno. Su objetivo es realizar observaciones de alta precisión de estos planetas para determinar su densidad aparente.
PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) se lanzará en 2026 y buscará hasta un millón de estrellas en busca de tránsitos de exoplanetas. El objetivo de PLATO es descubrir exoplanetas rocosos alrededor de estrellas como nuestro Sol, y de estrellas subgigantes y enanas rojas. El énfasis está en los planetas similares a la Tierra alrededor de la zona habitable de sus estrellas, donde podría existir agua líquida en sus superficies.
Fuentes, créditos y referencias:
J. C. Morales, N. Nakhjiri, J. Colomé, I. Ribas, E. García, D. Moreno, F. Vilardell: “Ariel mission planning. Scheduling the survey of a thousand exoplanets”, 2022; arXiv:2201.07491.
Ferus, M., Adam, V., Cassone, G. et al. Ariel – a window to the origin of life on early earth?. Exp Astron (2020). doi.org/10.1007/s10686-020-09681-w
Universe Today: Cheops Finds a World That’s Utterly Alien From Anything We Have in the Solar System
Originalmente publicado en Universe Today