Gran interferómetro para exoplanetas

El Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE) es un concepto de misión espacial propuesto, diseñado para detectar y caracterizar las atmósferas de exoplanetas similares a la Tierra mediante interferometría de infrarrojo medio . El concepto de la misión se basa en un interferómetro espacial de vuelo en formación que observaría directamente exoplanetas terrestres alrededor de estrellas cercanas y buscaría biofirmas atmosféricas . El proyecto fue iniciado en 2017 por una colaboración internacional liderada por la ETH Zúrich e involucra a científicos e ingenieros de múltiples instituciones y países. ^{[ 1 ]}

El concepto de la misión se centra en realizar un amplio estudio atmosférico de exoplanetas terrestres en la vecindad solar y estudiar la habitabilidad planetaria, la composición atmosférica y las posibles biofirmas. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El concepto de la misión LIFE consiste en cinco naves espaciales que vuelan en formación y operan conjuntamente como un interferómetro de anulación de infrarrojo medio . Cuatro naves espaciales dispuestas en un plano recogen la luz incidente y la redirigen a la quinta nave, que combina los haces de luz. El interferómetro suprime la luz de la estrella anfitriona, al tiempo que permite detectar y analizar espectroscópicamente la emisión térmica, mucho más débil, de los planetas en órbita. ^{[ 4 ]}

La misión operaría en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio, donde los planetas terrestres emiten radiación térmica y donde ciertas moléculas atmosféricas muestran fuertes características espectrales. La línea base del interferómetro sería ajustable para optimizar la detección de planetas y la caracterización atmosférica. ^{[ 5 ]}

La arquitectura de la misión se basa en conceptos anteriores de interferómetros espaciales como el Darwin de la ESA y el Interferómetro Buscador de Planetas Terrestres (TPF-I) de la NASA, pero incorpora desarrollos tecnológicos actualizados, estimaciones mejoradas del rendimiento de detección y capacidades modernas de vuelo en formación. ^{[ 6 ]}

El principal objetivo científico de la misión LIFE es la detección y caracterización atmosférica de exoplanetas terrestres, en particular planetas ubicados en las zonas habitables de estrellas cercanas. ^{[ 7 ]}

Los objetivos científicos clave incluyen:

1. Detección de exoplanetas rocosos en las zonas habitables de estrellas cercanas.
2. Midiendo su composición atmosférica
3. Estudio de los climas planetarios y las condiciones de la superficie.
4. Búsqueda de biofirmas atmosféricas
5. Limitar la frecuencia de planetas habitables en la vecindad solar.

Las simulaciones indican que un gran interferómetro espacial de infrarrojo medio podría detectar y caracterizar docenas de exoplanetas terrestres, lo que permitiría la exoplanetología comparativa más allá del Sistema Solar. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La misión LIFE está diseñada para realizar espectroscopia de infrarrojo medio de atmósferas de exoplanetas, lo que permite la detección de características de absorción molecular de gases como:

1. dióxido de carbono ( _CO₂ )
2. Vapor de agua ( _H₂O )
3. Ozono (O ₃ )
4. Metano ( _CH₄ )
5. Óxido nitroso ( _N₂O )
6. Fosfina (PH ₃ )

Estas moléculas pueden proporcionar información sobre el clima planetario, la química atmosférica y la actividad biológica potencial. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Las simulaciones de la misión sugieren que un interferómetro de infrarrojo medio como LIFE podría detectar un número significativo de planetas terrestres alrededor de estrellas cercanas y caracterizar espectroscópicamente un subconjunto de ellos. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La misión se centraría principalmente en planetas alrededor de estrellas similares al Sol y enanas M cercanas, prestando especial atención a los planetas ubicados en la zona habitable donde podría existir agua líquida en la superficie. ^{[ 14 ]}

Estudios recientes dentro de la colaboración LIFE también han investigado la detectabilidad de protoplanetas terrestres y sistemas planetarios jóvenes en la vecindad solar. ^{[ 15 ]}

La misión LIFE se basa en varias tecnologías clave:

Interferometría de anulación

La interferometría de anulación combina la luz de múltiples telescopios para suprimir la luz estelar mediante interferencia destructiva, lo que permite detectar señales planetarias débiles. ^{[ 16 ]} La tecnología se está probando en laboratorio con el Experimento Criogénico de Interferometría de Anulación (NICE) para demostrar la estabilidad y sensibilidad requeridas.

Combinación de haces e instrumentación

Los estudios realizados dentro del proyecto LIFE han investigado arquitecturas de combinadores de haces, incertidumbres instrumentales y estrategias de redundancia para interferometría espacial. ^{[ 17 ]} La combinación de los cuatro haces de luz incidentes permite obtener interferencia destructiva (a lo largo de la línea base de anulación) para la luz estelar en el eje y la determinación de la ubicación del planeta fuera del eje utilizando la interferencia a lo largo de la línea base de imagen.

Vuelo en formación

La misión requiere que múltiples naves espaciales vuelen en formación precisa con separaciones que van desde decenas hasta cientos de metros, lo que permite establecer la línea de base interferométrica necesaria para la detección del planeta. ^{[ 18 ]} Las cuatro naves recolectoras se colocan en un plano, todas apuntando hacia el objetivo. El conjunto completo de naves espaciales rotará alrededor del eje de apuntamiento para determinar la ubicación del planeta.

Recuperación atmosférica y espectroscopia

Se prevé analizar en detalle los objetivos seleccionados tras la fase inicial de detección de planetas. Las observaciones más prolongadas permiten obtener los espectros de las atmósferas de los exoplanetas. Se han realizado simulaciones para determinar la resolución espectral, la cobertura de longitud de onda y los requisitos de sensibilidad necesarios para obtener datos atmosféricos útiles de exoplanetas similares a la Tierra. ^{[ 19 ]}

1. Cesario, L. et al. (2024). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE): XIV. Hallazgo de protoplanetas terrestres en la vecindad galáctica. Astronomía y Astrofísica.
2. Alei, E. et al. (2024). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE): XIII. El valor de combinar la emisión térmica y la luz reflejada para la caracterización de planetas gemelos de la Tierra. Astronomía y Astrofísica.
3. Angerhausen, D. et al. (2024). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). XII. La detectabilidad de biofirmas de Capstone en el infrarrojo medio. Astronomical Journal.
4. Matsuo, T. et al. (2023). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). XI. Descomposición de síntesis del espacio de fases. Astronomía y Astrofísica.
5. Carrión-González, Ó. et al. (2023). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). X. Detectabilidad de exoplanetas conocidos actualmente. Astronomía y Astrofísica.
6. Konrad, BS et al. (2023). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). IX. Evaluación del impacto de las nubes en las recuperaciones atmosféricas. Astronomía y Astrofísica.
7. Angerhausen, D. et al. (2023). Gran interferómetro para exoplanetas: VIII. ¿Dónde está la fosfina? Astrobiología.
8. Hansen, JT et al. (2023). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). VII. Implementación práctica de un combinador de haces con anulación de núcleo de cinco telescopios. Astronomía y Astrofísica.
9. Kammerer, J. et al. (2022). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). VI. Detección de exoplanetas rocosos en las zonas habitables de estrellas similares al Sol. Astronomía y Astrofísica.
10. Alei, E. et al. (2022). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). V. Potencial diagnóstico de un interferómetro espacial de infrarrojo medio. Astronomía y Astrofísica.
11. Hansen, JT et al. (2022). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). IV. Arquitecturas de matrices de anulación de núcleo ideales. Astronomía y Astrofísica.
12. Konrad, BS et al. (2022). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). III. Resolución espectral, rango de longitud de onda y requisitos de sensibilidad. Astronomía y Astrofísica.
13. Dannert, FA et al. (2022). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). II. Simulación y extracción de señales. Astronomía y Astrofísica.
14. Quanz, SP et al. (2022). Gran Interferómetro para Exoplanetas (LIFE). I. Estimaciones mejoradas del rendimiento de detección de exoplanetas para una gran misión de interferometría espacial en el infrarrojo medio. Astronomía y Astrofísica.

• Ciencia de exoplanetas con un interferómetro de anulación del infrarrojo medio basado en el espacio , Sascha P. Quanz, Jens Kammerer, Denis Defrère, Olivier Absil, Adrian M. Glauser, Daniel Kitzmann, 9 de agosto de 2018

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