Los telescopios espaciales podrían estar viendo más de lo esperado

Tabla de enlaces

Resumen y 1. Introducción

2. Comparaciones del límite de difracción para futuros telescopios
3. Photobombing en nuestro Sistema Solar
4. Consecuencias para los espectros obtenidos
5. Estrategias de mitigación y discusión, y referencias

ABSTRACTO

La observación de exoplanetas habitables que puedan parecerse a la Tierra es una prioridad clave en astronomía que depende no solo de detectar dichos mundos, sino también de determinar que las aparentes señales de habitabilidad no se deban a otras fuentes. Los telescopios espaciales diseñados para observar dichos mundos, como el recomendado por la Encuesta Decenal de Astrofísica de 2020 de la NASA, tienen una resolución limitada por difracción que difunde eficazmente la luz de una fuente en una región alrededor del punto de origen. En esta carta, mostramos que el límite de difracción de un telescopio espacial de 6 metros da como resultado una función de dispersión puntual de un planeta similar a la Tierra que puede contener cuerpos adicionales imprevistos para sistemas a distancias relevantes para las búsquedas propuestas. Estos objetos adicionales inesperados, como otros planetas y lunas, pueden influir en los espectros obtenidos para un supuesto planeta habitable al producir características espurias y agregar incertidumbre adicional a los espectros. Un modelo de la Tierra observado con un telescopio espacial de 6 metros como si fuera un exoplaneta muestra que la luz de la Tierra se mezclaría con la de la Luna, Mercurio, Venus y Marte en varias combinaciones y en diferentes momentos para numerosas combinaciones de distancia al sistema y longitud de onda. Dada la importancia de extraer los espectros reales de un planeta potencialmente habitable para buscar biofirmas, destacamos la necesidad de tener en cuenta este efecto durante el desarrollo de telescopios relevantes y sugerimos algunos medios potenciales para tener en cuenta este efecto de fotobombo.

1. INTRODUCCIÓN

Los esfuerzos por aprovechar el poder de la imagen directa para explorar mundos habitables se sustentan en la creencia de que la Tierra no solo está bajo nuestros pies, sino que también puede existir sobre nuestras cabezas en otras regiones del espacio. La información contextual que requiere tanto el reconocimiento observacional como teórico de planetas prometedores y sus sistemas es fundamental para garantizar que un mundo habitable sospechoso merezca los recursos necesarios para caracterizarlo. La obtención de esta información contextual debe considerar las capacidades y los límites de los futuros telescopios planificados a la vanguardia de la exploración de estos mundos de alta prioridad. En este estudio, analizamos cómo el límite de difracción de estos futuros telescopios puede influir en la estrategia y los resultados de la observación. Una forma significativa en que los límites de difracción pueden hacer esto se alude en el título, donde "photobombing" se refiere a una imagen que contiene la aparición inesperada de un objeto no deseado en el campo de visión de la cámara cuando se tomó la imagen. Estos objetos pueden incluir otros planetas y lunas, que pueden influir en los espectros obtenidos si no se pueden resolver a partir de la función de dispersión de puntos (PSF) de los planetas objetivo. Comprender dónde y cómo pueden ocurrir estas mezclas es importante para el desarrollo de futuros telescopios destinados a detectar exoplanetas habitables, como el telescopio infrarrojo/óptico/ultravioleta recientemente recomendado en el Astrophysical Decadal Survey de 2020 (?). Los marcos recientes para evaluar posibles biofirmas (Catling et al. 2018; Green et al. 2021) han enfatizado la necesidad de extraer primero una verdadera firma potencialmente indicativa de vida y luego examinar posibles escenarios complicados que pueden confundir la interpretación precisa de una firma, y demostraremos que la aparición de planetas o lunas adicionales en las fotos puede complicar ambos requisitos.

La exploración de este efecto merece un tratamiento exhaustivo, ya que probablemente habrá variaciones debido a la gama de propiedades relevantes para observaciones específicas, incluyendo la inclinación del sistema, la fase orbital planetaria, las variaciones espaciales intrínsecas en cada cuerpo relevante y otras características del sistema y planetarias. Sin embargo, esta carta es un estudio exploratorio inicial centrado en cuatro temas que guían el estudio posterior y constituyen las secciones del artículo. En primer lugar, examinamos el tamaño angular del límite de difracción de varias combinaciones de diámetro de telescopio/longitud de onda de observación en función de la distancia a los sistemas objetivo. Esto incluye la comparación con distancias clave dentro de sistemas planetarios potenciales que pueden existir alrededor de estrellas de diferentes tipos estelares: el ancho de la zona habitable (HZ) y el tamaño del radio de Hill para un gemelo de la Tierra de HZ medio. En segundo lugar, utilizamos nuestro sistema solar como modelo para el tipo de efecto de fotobombardeo que puede observarse en sistemas planetarios con múltiples planetas pequeños y rocosos en/cerca de la zona habitable. Examinamos la probabilidad de que aparezcan planetas adicionales en la PSF de la Tierra en función del tiempo, si nuestro sistema solar se observara utilizando un telescopio de 6 metros. En tercer lugar, modelamos las consecuencias que tendría dicha contaminación de la PSF de la Tierra en los espectros visibles y del infrarrojo cercano obtenidos para la Tierra utilizando el telescopio a 10 parsecs de distancia. Por último, analizamos otros posibles escenarios de fotobombing relevantes para futuras observaciones y posibles medios para extraer el verdadero espectro gemelo de la Tierra de la posible contaminación.