¿Cómo podría un telescopio espacial de 20 pulgadas "ser capaz de distinguir planetas del tamaño de la Tierra" que orbitan Alfa Centauri?

El artículo del NY Times Telescope to Seek Earthlike Planet in Alpha Centauri System describe un esfuerzo propuesto para poner un telescopio en órbita con bastante rapidez con un propósito estrictamente definido: buscar planetas en el sistema Alpha Centauri , que está a unos 4,37 años luz de distancia de la Tierra.

La financiación, el diseño, el montaje y el despliegue espacial con bastante rapidez son posibles en parte por el propósito estrictamente definido y el interés público apremiante en esta cuestión en particular.

Saqué mi caja de sobres e hice lo siguiente. Como no hay aire, no hay necesidad de óptica adaptativa, por lo que se aplica el límite de difracción estándar. Para un disco Airy :

θ ≈ 1.22 λ d

El artículo describe el telescopio como del tamaño de una lavadora, con una apertura de 20 pulgadas o unos 50 cm. Si elijo una longitud de onda visible de 500 nm, obtengo una resolución de aproximadamente 1,22 microrradianes ( m R). 4,37 años luz son unos 4,13E+13 km o 2,76E+05 AU.

Eso hace que el disco de aire tenga unas 0,34 AU en Alpha Centauri. La función de dispersión puntual real de un telescopio depende no solo de la difracción teórica de la apertura, sino también de la difracción de los secundarios y soportes dentro de la apertura, de las aberraciones debidas a superficies ópticas de forma imperfecta y de la dispersión y la neblina debidas a la nanorrugosidad de las superficies de los espejos. (vea abajo)

¿Se podría armar rápidamente un telescopio de 20 pulgadas y un paquete de experimentos asociado que realmente podría resolver (o "distinguir", como dice el artículo) un planeta similar a la Tierra en el sistema Alfa Centauri desde el espacio? Si es así, ¿qué es exactamente lo que podría hacer que no se pueda hacer desde ningún telescopio existente en órbita o en la Tierra?

Una representación del telescopio compacto de imágenes de exoplanetas Project Blue

arriba: "Una representación del telescopio compacto de imágenes de exoplanetas Project Blue planea lanzarse en órbita y apuntar a Alpha Centauri. Credit Project Blue" desde aquí .

Salta a la vista que el secundario está montado fuera del eje, lo que puede tener ventajas mecánicas y ópticas (por ejemplo, difracción), pero probablemente limitaría la calidad de la imagen a un campo de visión estrecho, lo que podría estar bien para un telescopio de un solo objetivo si hay objetivos de calibración adecuados cercanos.

Puede encontrar una buena discusión sobre la función de dispersión de puntos del telescopio espacial Hubble aquí: 20 años de modelado óptico del Telescopio Espacial Hubble usando Tiny Tim (Krist et al 2011, Proc. of SPIE Vol. 8127 81270J-1), y la reducción El instrumento DRAGONFLY aborda la dispersión y la neblina de la nanorugosidad del espejo mediante el uso de óptica refractiva (lentes) . Véase también ¿Qué es (en realidad) el "radio de media luz desproyectado" de esta galaxia casi toda de materia oscura?

Proxima Centauri b se descubrió a través de velocidades radiales, no hay forma de que obtenga suficiente contraste para verlo directamente.
@AtmosphericPrisonEscape si usted lo dice, pero regrese en uno o dos días; puede haber una o dos respuestas en sentido contrario.
Un problema es que, en los medios populares, los escritores de medios populares confunden por completo la "imagen real" ("una imagen de") con la detección mediante el tránsito, etc. ¡El NY Times es tan profundamente inexacto que no estoy seguro de si vale la pena molestarse con el artículo de cualquier manera!
@JoeBlow, si sigue la sección de ciencia del NY Times durante varios años, verá que no es exactamente un "medio popular" común y corriente. En general, hacen un excelente trabajo. Este es un Periódico de registro de clase mundial y hay noticias científicas de alto nivel y debate científico en la sección editorial escrita por científicos destacados.
Hola Uhoh; Supongo que las opiniones difieren, pero seguro; No es el lugar para un debate aquí. Entonces, como punto general, ¡es un "problema exasperante de nuestros días!" que informa sobre la tecnología de exoplanetas, confunde constantemente las imágenes directas con los métodos de detección. ¡Salud!
@JoeBlow en este caso, estoy bastante seguro de que el objetivo de este telescopio es generar una imagen que resuelva el planeta, y que el artículo no es erróneo ni engañoso. Es por eso que estoy haciendo esta pregunta. De hecho, parecen planear hacerlo utilizando tecnología avanzada de coronógrafo antes de proyectos de telescopios espaciales (futuros) más grandes. Ver esto y este comentario.
@uhoh - impresionante; y gracias por eso (¡Mi advertencia permanecerá como una alerta para los futuros lectores de divulgación científica! :)

Respuestas (1)

No estoy familiarizado con el diseño del telescopio ProjectBlue, pero creo que ha respondido a su propia pregunta.

Las zonas habitables para Alpha Cen A y B están centradas aproximadamente en 1.25au y 0.7au. Ambos están a una distancia de 4,37 años luz.

1au a 4,37 años luz, subtiende un ángulo de 0,74 segundos de arco. Si se trabaja en longitudes de onda azules (el objetivo parece ser encontrar un punto azul pálido, digamos 400 nm), se logra un disco de Airy de 0,74 segundos de arco con un telescopio con un diámetro de solo 13 cm. Para tener la posibilidad de resolver los planetas en la zona habitable, necesitaría un telescopio un poco más grande que este.

Sin embargo, un problema mayor es separar la señal de la estrella y los planetas cuando apenas se resuelven. El disco Airy es solo el primer mínimo en el patrón de difracción. Si la estrella es alrededor de 10 mil millones de veces más brillante que el planeta (cifra aproximada), entonces aún inundaría un planeta que se acaba de resolver.

Por lo tanto, debe construir un telescopio más grande para aumentar la resolución angular. Y necesita construir una óptica excelente y un coronógrafo para evitar que la luz de la estrella inunde su detector. Pero esto cuesta más dinero, el telescopio tiene más masa, necesita un vehículo de lanzamiento más grande, etc. Así que supongo que un telescopio de 50 cm es su compromiso.

¿Es alcanzable? No sé. Los mejores telescopios de la Tierra logran una resolución angular casi limitada por difracción utilizando óptica adaptativa. Sin embargo, el contraste que pueden obtener para las imágenes de exoplanetas se ve comprometido en cierta medida por la atmósfera. Si está buscando un "punto azul pálido", entonces esto no se puede hacer desde el suelo porque los sistemas de óptica adaptativa no funcionan actualmente en tales longitudes de onda.

Es muy posible que los planetas similares a la Tierra en la zona habitable de Alpha Cen puedan descubrirse desde el suelo en los próximos años utilizando mediciones mejoradas de velocidad radial, pero no mediante imágenes.

Una pregunta interesante es ¿por qué esto no se puede hacer ahora con HST? El telescopio propuesto pasará dos años haciendo esto. Incluso si HST pudiera reducir esto a meses, no estoy convencido de que la detección de una mancha débil alrededor de la estrella más cercana tenga la ciencia necesaria para obtener el tiempo, especialmente porque existe una buena posibilidad de falla. Es posible que no haya planetas en la zona habitable o que haya suficiente polvo zodiacal en el sistema para que las mediciones sean imposibles debido a la luz dispersa.

Investigaciones posteriores sugieren que el coronógrafo en la cámara HST ACS solo daría alrededor de 7-8 magnitudes (factores de mil) de contraste en separaciones angulares de un segundo de arco. Así que nada cerca de lo que se requiere. Este nuevo telescopio debe tener una óptica radicalmente mejorada y un coronógrafo más avanzado.

He estado leyendo un poco sobre Project Blue (mencionado en el artículo del NY Times) desde que publiqué la pregunta. Llegué a projectblue.org/the-mission "Project Blue demostrará y probará tecnologías de frente de onda y coronógrafo similares a las que podrían usarse en futuros telescopios espaciales mucho más grandes que actualmente está estudiando la NASA (por ejemplo, HabEX, LUVOIR). ." pero no estoy seguro de cuánto de esa tecnología se probaría en este caso. Necesito ayuda para resolver todo eso, no estoy seguro de si debería agregarlo a la pregunta.
Creo que la apodización cambia drásticamente la función de dispersión de puntos, de modo que ya no se parece en nada al modelo de disco Airy simple.
¿Cómo podría un telescopio espacial de 20 pulgadas "ser capaz de distinguir planetas del tamaño de la Tierra" que orbitan Alfa Centauri?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v