Investigadores de la Universidad de Arizona han desarrollado un nuevo coronógrafo, un dispositivo óptico que bloquea la luz de fuentes brillantes, con el potencial de observar exoplanetas distantes que se encuentran ocultos tras la luz de sus estrellas madre. Este avance podría permitir la detección de exoplanetas más allá de nuestro sistema solar, ofreciendo nuevas perspectivas sobre la posibilidad de vida fuera de la Tierra.
«Los planetas similares a la Tierra en la zona habitable, donde las temperaturas podrían permitir la existencia de agua líquida, pueden ser hasta mil millones de veces más tenues que su estrella anfitriona», explica Nico Deshler, líder del equipo de investigación. «Esto dificulta su detección, ya que la luz tenue del exoplaneta se ve opacada por la brillantez del sol. Nuestro nuevo diseño de coronógrafo filtra la luz estelar que podría ocultar la luz del exoplaneta antes de captar una imagen.»
En la revista Optica, los investigadores muestran que su coronógrafo puede teóricamente alcanzar los límites fundamentales de detección y localización de exoplanetas establecidos por la óptica cuántica. También lograron captar imágenes que permitieron estimar la posición de exoplanetas artificiales a distancias de su estrella madre hasta 50 veces menores de lo que normalmente permitiría la resolución de un telescopio.
Desarrollos en la detección de exoplanetas
La observación óptica de exoplanetas representa un desafío formidable, ya que, a escalas astronómicas, suelen estar demasiado cerca de su estrella madre para que los telescopios actuales puedan resolverlos. Además, los exoplanetas son a menudo mucho más tenues que sus estrellas. Aunque los astrónomos han desarrollado diversas formas de inferir indirectamente la presencia de un planeta alrededor de una estrella, la observación directa de exoplanetas a través de imágenes sería el ideal.
Con el próximo telescopio espacial de próxima generación de la NASA, el Observatorio de Mundos Habitables (HWO), dedicado a la ciencia de los exoplanetas, han surgido numerosos diseños de coronógrafos, cada uno con diferentes compromisos de rendimiento práctico y teórico. Recientes investigaciones han mostrado que las nociones tradicionales de resolución para telescopios no reflejan límites fundamentales y pueden ser superadas con un cuidadoso preprocesado óptico.
Siguiendo estas innovaciones, los investigadores decidieron utilizar un separador de modos espaciales disponible en su laboratorio para desarrollar un coronógrafo mejorado que teóricamente rechaza toda la luz de una estrella en el eje, mientras maximiza el rendimiento de un exoplaneta fuera del eje. Al igual que las notas de un piano emiten diferentes frecuencias acústicas, las fuentes de luz en el espacio excitan diferentes modos espaciales, dependiendo de su posición. Los investigadores separaron estos modos utilizando un separador para aislar y eliminar la luz de una estrella y un separador inverso para recomponer el campo óptico después del rechazo de la luz estelar. Esto hizo posible captar una imagen del exoplaneta sin la interferencia de la estrella.
La capacidad de este coronógrafo para capturar directamente una imagen del exoplaneta, en lugar de medir solo la cantidad de luz de este sin ninguna orientación espacial, es fundamental. Las imágenes pueden proporcionar contexto e información sobre la composición que pueden utilizarse para determinar las órbitas de los exoplanetas e identificar otros objetos que dispersan la luz de una estrella, como nubes de polvo exozodiacal.
Después de configurar su coronógrafo en el laboratorio, los investigadores crearon una escena artificial de estrella-exoplaneta en la que el exoplaneta estaba posicionado lo suficientemente cerca de la estrella como para ser irresoluble con un telescopio tradicional. La relación de contraste entre la estrella y el planeta se estableció en 1000:1.
Los investigadores escanearon la posición del exoplaneta para simular una órbita en la que el planeta atraviesa frente a la estrella y luego intentaron determinar su posición en cada fotograma. Las imágenes capturadas con su configuración experimental que incorporaba el nuevo coronógrafo les permitieron estimar la posición del exoplaneta a separaciones estelares por debajo del límite de resolución.
Actualmente, los investigadores están trabajando para mejorar el separador de modos y reducir la «crosstalk», un tipo de interferencia en la que la luz se filtra a través de diferentes modos ópticos. Para escenas con niveles de contraste moderado, la crosstalk no representa un problema significativo. Sin embargo, los contrastes extremos encontrados en la ciencia de exoplanetas requerirían un separador de modos espaciales de alta fidelidad para aislar adecuadamente la luz de la estrella.
Este experimento de prueba de principio podría inspirar futuras exploraciones del preprocesamiento óptico con separadores de modos espaciales en la instrumentación astronómica. Por ejemplo, los métodos de filtrado de modos espaciales que utilizaron podrían abordar escenarios más complejos, como tratar a las estrellas como objetos extendidos, y también podrían llevar a nuevos métodos de imagen en el ámbito de la detección cuántica, la imagen médica y las comunicaciones.
