Misión de interferometría espacial

SIM Lite habría sido el telescopio espacial para la búsqueda de planetas extrasolares más potente jamás construido. ^{[ 5 ]} Mediante la técnica de interferometría, la nave espacial habría podido detectar planetas del tamaño de la Tierra. ^{[ 5 ]} SIM Lite realizaría su búsqueda de planetas cercanos similares a la Tierra buscando la " oscilación " en el movimiento aparente de la estrella madre a medida que el planeta orbita. La nave espacial habría logrado esta tarea con una precisión de una millonésima de segundo de arco , o el grosor de una moneda de cinco centavos vista desde la distancia de la Tierra a la Luna . El programa de búsqueda de planetas, denominado Búsqueda Profunda, tenía como objetivo buscar aproximadamente 60 estrellas cercanas en busca de planetas terrestres (como la Tierra y Venus ) en la zona habitable (donde puede existir agua líquida durante una revolución completa (un "año") del planeta alrededor de su estrella). La Búsqueda Profunda iba a ser la más exigente en términos de precisión astrométrica , de ahí su nombre. ^{[ 5 ]} Este programa habría utilizado toda la capacidad de la nave espacial SIM Lite para realizar sus mediciones. ^{[ 5 ]}

Una estrategia de búsqueda flexible ^{[ 6 ]} ajusta la sensibilidad de masa de SIM Lite en cada estrella al nivel deseado en la búsqueda de planetas habitables. El valor de η _Tierra (Eta_Tierra), la fracción de estrellas que albergan planetas análogos a la Tierra, será estimado por la Misión Kepler algún tiempo antes del lanzamiento de SIM Lite. Una estrategia para la búsqueda de planetas habitables consiste en realizar una búsqueda más profunda (es decir, reducir la sensibilidad de masa en la zona habitable) de un número menor de objetivos si los análogos de la Tierra son comunes. Se podría haber realizado una búsqueda menos profunda de un mayor número de objetivos si los análogos de la Tierra son más raros. Por ejemplo, suponiendo que el 40% del tiempo de la misión se destine a la búsqueda de planetas, SIM Lite podría haber explorado:

• 65 estrellas para planetas con una masa de hasta la de la Tierra, en órbitas escaladas de 1 UA, O
• 149 estrellas para planetas con masas de hasta dos veces la de la Tierra, en órbitas escaladas de 1 UA, O
• 239 estrellas para planetas con masas de hasta tres veces la de la Tierra, en órbitas escaladas de 1 UA.

Además de buscar planetas del tamaño de la Tierra, SIM Lite tenía previsto realizar lo que se denominó el "Broad Survey". El Broad Survey habría analizado aproximadamente 1500  estrellas para ayudar a determinar la abundancia de planetas con masa similar a la de Neptuno o mayores alrededor de todos los tipos de estrellas en el sector de la Tierra de la Vía Láctea . ^{[ 5 ]}

Una tercera parte de la misión de búsqueda de planetas fue la búsqueda de planetas con masa similar a la de Júpiter alrededor de estrellas jóvenes. El estudio habría ayudado a los científicos a comprender mejor la formación del sistema solar, incluyendo la presencia de Júpiter calientes . ^{[ 7 ]} Esta parte de la búsqueda de planetas fue diseñada para estudiar sistemas con uno o más planetas con masa similar a la de Júpiter antes de que el sistema haya alcanzado el equilibrio a largo plazo. ^{[ 7 ]} Las técnicas de búsqueda de planetas que utilizan la velocidad radial de una estrella no pueden medir los pequeños movimientos de vaivén regulares inducidos por los planetas contra la intensa actividad atmosférica de una estrella joven. Es a través de las técnicas desarrolladas por Albert A. Michelson que el SIM habría podido ejecutar sus tres misiones principales de búsqueda de planetas.

El componente de búsqueda de planetas de la misión se concibió para servir como un complemento importante para las futuras misiones diseñadas para obtener imágenes y medir planetas terrestres y otros exoplanetas. SIM Lite iba a realizar una tarea importante que estas misiones no podrán hacer: determinar las masas de los planetas. ^{[ 8 ]} Otra tarea que se preveía que SIM realizara para las futuras misiones sería proporcionar las características orbitales de los planetas. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Con este conocimiento, otras misiones pueden estimar los tiempos óptimos y los ángulos de separación estrella-planeta proyectados para que puedan observar los planetas terrestres (y otros) que SIM ha detectado.

Otro aspecto clave de la misión de SIM Lite fue determinar los límites superior e inferior de las masas estelares. Hoy en día, los científicos comprenden que existen límites en cuanto al tamaño que puede alcanzar una estrella. Los objetos demasiado pequeños carecen de la presión interna necesaria para iniciar la fusión termonuclear , que es lo que hace brillar a una estrella. Estos objetos se conocen como enanas marrones y representan el extremo inferior de la escala de masa estelar. Las estrellas demasiado grandes se vuelven inestables y explotan en una supernova . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Parte de la misión del SIM era proporcionar mediciones precisas para los dos extremos en masa estelar y evolución. El telescopio no podrá medir la masa de cada estrella en la Galaxia, ya que hay más de 200  mil millones, sino que realizará un "censo de población". ^{[ 10 ]} Mediante esta técnica, el SIM podrá generar masas precisas para ejemplos representativos de casi todos los tipos de estrellas, incluidas las enanas marrones, las enanas blancas calientes , las estrellas gigantes rojas y los esquivos agujeros negros . ^{[ 10 ]} Los telescopios espaciales actuales, incluido el Telescopio Espacial Hubble de la NASA , pueden medir con precisión la masa de algunos tipos de estrellas, pero no de todas. Las estimaciones sitúan el rango de masa estelar entre el 8% de la masa del Sol y más de 60  veces la masa del Sol. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Todo el estudio se centró en sistemas estelares binarios , estrellas acopladas mediante una atracción gravitatoria mutua. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Las mediciones interferométricas de las posiciones estelares a lo largo de la misión habrían permitido al SIM medir con precisión las distancias entre las estrellas en toda la Vía Láctea . Esto habría permitido a los astrónomos crear un "mapa" de la Galaxia, respondiendo a muchas preguntas sobre su forma y tamaño. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Actualmente, los astrónomos saben poco sobre la forma y el tamaño de nuestra galaxia en comparación con lo que saben sobre otras galaxias; es difícil observar la Vía Láctea completa desde su interior. Una buena analogía sería intentar observar una banda de música siendo miembro de ella. ^{[ 14 ]} Observar otras galaxias es mucho más fácil porque los humanos nos encontramos fuera de ellas. Steven Majewski y su equipo planearon usar SIM Lite para ayudar a determinar no solo la forma y el tamaño de la Galaxia, sino también la distribución de su masa y el movimiento de sus estrellas. ^{[ 14 ]}

Las mediciones de estrellas de la Vía Láctea realizadas por SIM Lite debían proporcionar datos para comprender cuatro temas: parámetros galácticos fundamentales, el límite de Oort , el potencial de masa del disco y la masa de la Galaxia a grandes radios . ^{[ 15 ]} El primero, los parámetros galácticos fundamentales, tenía como objetivo responder preguntas clave sobre el tamaño, la forma y la velocidad de rotación de la Vía Láctea. ^{[ 16 ]} El equipo esperaba determinar con mayor precisión la distancia del Sol al centro galáctico . El segundo tema, el límite de Oort, habría intentado determinar la masa del disco galáctico. ^{[ 17 ]}

El tercer tema del proyecto fue el potencial de masa del disco. Este tema se diseñó para realizar mediciones de las distancias a las estrellas del disco, así como de sus movimientos propios. Los resultados del tercer tema de estudio se combinarían con los resultados de la parte del estudio sobre parámetros galácticos fundamentales para determinar la posición y la velocidad del Sistema Solar en la galaxia. ^{[ 18 ]} El último tema trató sobre la distribución de materia oscura en la Vía Láctea. Se utilizarían datos del SIM para crear un modelo tridimensional de la distribución de masa en la Galaxia, hasta un radio de 270 kiloparsecs (kps). Los astrónomos utilizarían dos pruebas diferentes para determinar el potencial galáctico en radios grandes. ^{[ 19 ]}

La materia oscura es la materia del universo que no se puede ver. Debido al efecto gravitacional que ejerce sobre las estrellas y las galaxias, los científicos saben que aproximadamente el 80 % de la materia del universo es materia oscura. ^{[ 12 ] [ 13 ]} La distribución espacial de la materia oscura en el universo es en gran parte desconocida; SIM Lite habría ayudado a los científicos a responder esta pregunta.

La evidencia más sólida de materia oscura proviene del movimiento galáctico. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Las galaxias rotan mucho más rápido de lo que sugiere la cantidad de materia visible ; la gravedad de la materia ordinaria no es suficiente para mantener unida la galaxia. Los científicos teorizan que la galaxia se mantiene unida por enormes cantidades de materia oscura. ^{[ 12 ] [ 13 ]} De manera similar, los cúmulos de galaxias no parecen tener suficiente materia visible para equilibrar gravitacionalmente los movimientos de alta velocidad de sus galaxias componentes.

Además de medir los movimientos estelares dentro de la Vía Láctea, el SIM Lite mediría el movimiento galáctico interno y promedio de algunas galaxias vecinas cercanas a la Vía Láctea. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Las mediciones del telescopio se utilizarían junto con otros datos disponibles para proporcionar a los astrónomos las primeras mediciones de masa total de galaxias individuales. Estos datos permitirían a los científicos estimar la distribución espacial de la materia oscura en el grupo local de galaxias y, por extensión, en todo el universo. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La Misión de Interferometría Espacial comenzó como un estudio preliminar de arquitectura de cuatro meses en marzo de 1997. La NASA seleccionó al Grupo de Espacio y Electrónica de TRW , Eastman Kodak y Hughes Danbury Optical Systems para llevar a cabo el estudio. ^{[ 20 ]} En 1998, TRW Inc. fue seleccionada como contratista para el proyecto SIM Lite; Northrop Grumman adquirió parte de TRW en 2002 y se hizo cargo del contrato. También fue seleccionada Lockheed Martin Missiles and Space, ubicada en Sunnyvale, California . ^{[ 21 ]} Los dos contratos, que incluían las fases de formulación e implementación de la misión, se anunciaron en septiembre de 1998 y tenían un valor total de más de 200  millones de dólares estadounidenses. La fase de formulación de la misión incluía el diseño inicial de la misión y la planificación para la implementación a gran escala de la misma. ^{[ 21 ]} En el momento del anuncio de la NASA, el lanzamiento estaba programado para 2005 y la misión formaba parte del Programa Orígenes , una serie de misiones diseñadas para responder preguntas como el origen de la vida en la Tierra. ^{[ 21 ]}

En agosto de 2000, la NASA solicitó a los directores del proyecto que consideraran el transbordador espacial , en lugar del EELV propuesto anteriormente, como vehículo de lanzamiento. ^{[ 22 ]} A finales de noviembre de 2000, la NASA anunció que se había seleccionado el equipo científico del proyecto. El grupo incluía nombres destacados del mundo de la investigación de planetas extrasolares . ^{[ 23 ]} El grupo completo estaba compuesto por 10 investigadores principales y cinco especialistas de misión. ^{[ 23 ]} En el momento de este anuncio de la NASA, el lanzamiento estaba programado para 2009 y la misión aún formaba parte del Programa Orígenes. ^{[ 23 ]}

La nueva tecnología de SIM tenía como objetivo conducir al desarrollo de telescopios lo suficientemente potentes como para tomar imágenes de planetas extrasolares similares a la Tierra que orbitan estrellas distantes y determinar si esos planetas pueden albergar vida . La NASA ya ha comenzado a desarrollar futuras misiones que se basarán en el legado tecnológico de SIM. ^{[ 24 ]} La fase de desarrollo tecnológico de la misión se completó en noviembre de 2006 con el anuncio de que se alcanzaron los ocho hitos tecnológicos de la misión establecidos por la NASA. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Los hitos fueron pasos necesarios en el desarrollo tecnológico antes de que se pudiera comenzar a diseñar los instrumentos de control de vuelo. La finalización de cada hito significó que se tuvieron que desarrollar nuevos sistemas para el control nanométrico , así como tecnología de conocimiento picómetro ; estos sistemas permiten que el telescopio realice sus mediciones precisas con extrema exactitud. ^{[ 25 ]}

Una de las nuevas tecnologías desarrolladas para la misión fueron unas "reglas" de alta tecnología, capaces de realizar mediciones en incrementos de una fracción del ancho de un átomo de hidrógeno . Además, las reglas se desarrollaron para funcionar en red . El equipo de la misión también creó " amortiguadores " para mitigar los efectos de las pequeñas vibraciones en la nave espacial que impedirían mediciones precisas. Otro hito consistió en combinar las nuevas "reglas" y los "amortiguadores" para demostrar que la nave de la Misión de Interferometría Espacial podía detectar las pequeñas oscilaciones en las estrellas causadas por planetas del tamaño de la Tierra. El quinto hito tecnológico requirió la demostración del Banco de Pruebas de Metrología de Microarcosegundos con un rendimiento de 3200  picómetros en su amplio campo de visión angular. Las mediciones angulares se utilizarían para determinar las posiciones fijas de las estrellas cada vez que se midieran. Este nivel de rendimiento demostró la capacidad de SIM Lite para calcular la cuadrícula astrométrica . Otro desarrollo clave, conocido como astrometría de ángulo estrecho sin cuadrícula ( GNAA ), fue la capacidad de aplicar la capacidad de medición desarrollada en el hito de ángulo amplio y llevarla un paso más allá, a mediciones de ángulo estrecho. Con el objetivo de brindar una precisión de 1 microsegundo de arco a las primeras etapas del SIM, ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} la técnica permite medir las posiciones de las estrellas sin establecer primero una cuadrícula de estrellas de referencia; en cambio, establece un marco de referencia utilizando varias estrellas de referencia y una estrella objetivo observada desde diferentes ubicaciones, y las posiciones de las estrellas se calculan utilizando mediciones de retardo de observaciones separadas. El campo de ángulo estrecho iba a ser utilizado por el SIM para detectar planetas terrestres ; el equipo aplicó los mismos criterios tanto a las mediciones de ángulo estrecho como de ángulo amplio. ^{[ 26 ]} El requisito final antes de comenzar a trabajar en los controles de vuelo fue asegurarse de que todos los sistemas desarrollados para la misión funcionaran de manera cohesiva; este último objetivo tecnológico de la NASA se completó al final ya que dependía de los demás.

Entre finales de abril y junio de 2006, el proyecto completó tres hitos de ingeniería y, del 2 al 8 de noviembre de 2006, SIM completó una "Revisión interna del diseño de la nave espacial". ^{[ 30 ]} En junio de 2008, los ocho hitos de ingeniería se habían completado satisfactoriamente. ^{[ 26 ]}

El proyecto había estado en la Fase B desde junio de 2003. ^{[ 30 ]} La "Fase B" del Laboratorio de Propulsión a Chorro se llama fase de "Diseño Preliminar". ^{[ 31 ]} La Fase B desarrolla aún más el concepto de misión desarrollado durante la Fase A para preparar el proyecto para entrar en la Fase de Implementación del proyecto. Se definen los requisitos, se determinan los cronogramas y se preparan las especificaciones para iniciar el diseño y desarrollo del sistema. ^{[ 32 ]} Además, como parte de la Fase B, el proyecto SIM Lite iba a pasar por una serie de revisiones por parte de la NASA, incluyendo la Revisión de Requisitos del Sistema, la Revisión de Diseño del Sistema y la Revisión de No Defensores. ^{[ 32 ]} Durante esta fase, se habrían propuesto experimentos, revisados ​​por pares y finalmente seleccionados por la Oficina de Ciencia Espacial de la NASA. Las selecciones de experimentos se basan en el valor científico, el costo, la gestión, la ingeniería y la seguridad. ^{[ 32 ]}

La fecha de lanzamiento de la misión SIM Lite se pospuso al menos cinco veces. ^{[ 3 ] [ 21 ] [ 23 ] [ 34 ]} Al comienzo del programa, en 1998, el lanzamiento estaba programado para 2005. ^{[ 21 ]} Para 2000, la fecha de lanzamiento se había retrasado hasta 2009, una fecha que se mantuvo hasta 2003; aunque algunos científicos del proyecto citaron 2008 a finales de 2000. ^{[ 23 ] [ 31 ] [ 35 ]} Entre 2004 y 2006, el contratista Northrop Grumman, la empresa que diseñaba y desarrollaba SIM, publicó una fecha de lanzamiento de 2011 en su sitio web. ^{[ 3 ]} Con la publicación del presupuesto de la NASA para el año fiscal 2007, las predicciones cambiaron nuevamente, esta vez a una fecha no anterior a 2015 o 2016. ^{[ 34 ]} El retraso de la fecha de lanzamiento se relacionó principalmente con los recortes presupuestarios realizados al programa SIM Lite. ^{[ 34 ] [ 36 ]} El cambio de 2007 representó una diferencia de aproximadamente tres años con respecto a la fecha de lanzamiento de 2006, descrita en el presupuesto de la NASA para el año fiscal 2006 como dos años después de las predicciones del presupuesto de 2005. ^{[ 34 ] [ 37 ]} Otros grupos predijeron fechas que coincidían con las fechas de lanzamiento pronosticadas oficialmente; el Instituto de Ciencias de Exoplanetas de la NASA (anteriormente Centro de Ciencias Michelson) en el Instituto Tecnológico de California también estableció la fecha en 2015. ^{[ 38 ]} A partir de junio de 2008, la NASA pospuso la fecha de lanzamiento "indefinidamente". ^{[ 30 ]}

Un plan operativo de la NASA de mayo de 2005 puso la misión en una fase de replanificación hasta la primavera de 2006. El lanzamiento estaba previsto mediante un vehículo de lanzamiento desechable evolucionado (EELV), probablemente un Atlas V 521 o equivalente. ^{[ 33 ]}

SIM Lite iba a ser considerada la misión insignia del Programa de Exploración de Exoplanetas de la NASA (anteriormente conocido como Programa Navigator). Según el Presupuesto Presidencial de 2007 para la NASA, el programa es "una serie coherente de proyectos cada vez más desafiantes, cada uno complementario a los demás y cada misión basándose en los resultados y capacidades de las que la precedieron, mientras la NASA busca planetas habitables fuera del Sistema Solar". ^{[ 34 ]} El programa, además de la Misión de Interferometría Espacial, incluye el Interferómetro Keck y el Interferómetro del Gran Telescopio Binocular . Cuando se aprobó originalmente en 1996, la misión tenía un  límite de 700 millones de dólares (en dólares de 1996), que incluía los costos de lanzamiento y cinco años de operación. ^{[ 39 ]} Los primeros contratos, para el estudio preliminar de la arquitectura, tenían un valor de 200 000 dólares cada uno. ^{[ 39 ]}

El presupuesto de la NASA describió los planes para los tres proyectos para el año fiscal (AF) 2007. De las tres misiones, SIM Lite se retrasó aún más y el Interferómetro Keck sufrió recortes presupuestarios. ^{[ 34 ] [ 40 ]} El presupuesto de la NASA de 2007 estipuló: "La actividad de la Fase B de SIM continuará mientras se desarrollan nuevos planes de costos y cronograma, de acuerdo con las recientes decisiones de financiamiento". ^{[ 34 ]} Las decisiones de financiamiento incluyeron un recorte de US$118.5  millones con respecto a la solicitud de presupuesto de la NASA para el AF 2006 para el Programa de Exploración de Exoplanetas. El presupuesto también estableció proyecciones para el programa hasta el año 2010. Cada año habrá recortes de financiamiento sucesivos, en comparación con las cifras de la solicitud de 2006. A partir del año fiscal 2008, el Programa de Exploración de Exoplanetas recibirá alrededor de 223,9  millones de dólares menos que en 2006. Los años siguientes tendrán recortes de 155,2  millones de dólares en 2009 y 172,5  millones de dólares en 2010, en comparación con la solicitud de 2006. ^{[ 34 ]}

Cuando SIM Lite entró en lo que el JPL denomina "Fase B" en 2003, Fringes: Space Interferometry Mission Newsletter lo calificó como un hito muy importante en el camino hacia un lanzamiento en 2009. ^{[ 31 ]} Los retrasos son de naturaleza presupuestaria. ^{[ 36 ] [ 37 ]} En 2006, la misión recibió 117  millones de dólares, un aumento de 8,1  millones de dólares con respecto al año anterior, pero los recortes de 2007 ascendieron a 47,9  millones de dólares menos para el programa SIM. En 2008, 128,7 millones de dólares  de los 223,9  millones de dólares que se estimaba que se recortarían del presupuesto del Programa de Exoplanetas provendrían de la misión SIM Lite. Después de una  disminución adicional de $51,9 millones en el año fiscal 2009, ^{[ 41 ]} el programa se redujo a $6 millones en el año fiscal 2010, complementado con un remanente sustancial del año anterior mientras se esperaban los resultados de la Encuesta Decenal de Astronomía y Astrofísica, Astro2010. ^{[ 42 ]}

Para febrero de 2007, muchos de los recortes presupuestarios descritos en el presupuesto del año fiscal 2007 ya se estaban sintiendo en el proyecto. Los ingenieros que trabajaban en SIM se vieron obligados a buscar otras áreas de trabajo. ^{[ 36 ]} Un editorial de febrero de 2007 en el Space Interferometry Mission Newsletter describió la situación como «debido enteramente a las presiones presupuestarias y las prioridades dentro de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA (con) la motivación científica para la misión... tan fuerte como siempre». ^{[ 36 ]} La NASA, debido a los recortes presupuestarios, ordenó al proyecto SIM que reorientara sus esfuerzos hacia la reducción de riesgos de ingeniería . En el momento del boletín de febrero de 2007, los planes para la reorientación estaban en proceso de completarse. ^{[ 36 ]}

La interferometría es una técnica pionera de Albert A. Michelson en el siglo XIX. ^{[ 43 ]} La interferometría óptica, que ha madurado en las últimas dos décadas, combina la luz de múltiples telescopios para realizar mediciones precisas, similares a las que se podrían lograr con un solo telescopio mucho más grande. ^{[ 44 ]} Esto es posible gracias a la interacción de las ondas de luz , llamada interferencia . La interferencia se puede usar para eliminar el brillo de las estrellas o para medir distancias y ángulos con precisión. ^{[ 44 ]} La construcción de la palabra lo ilustra parcialmente: interferir + medir = interferometría. ^{[ 44 ]} En longitudes de onda de radio del espectro electromagnético , la interferometría se ha utilizado durante más de 50  años para medir la estructura de galaxias distantes. ^{[ 44 ]}

El telescopio SIM Lite funciona mediante interferometría óptica . SIM iba a estar compuesto por un interferómetro científico (  colectores de 50 cm, separación de 6 m [línea base]), un interferómetro guía (  colectores de 30 cm, línea base de 4,2 m) y un telescopio guía (  apertura de 30 cm). ^{[ 5 ] [ 8 ] [ 45 ]} El sofisticado telescopio guía estabiliza el apuntamiento del instrumento en la tercera dimensión. La magnitud límite operativa de la nave espacial habría descendido hasta 20 a 20 millonésimas de segundo de arco (μas) y su precisión astrométrica para la detección de planetas de 1,12  μas es para mediciones individuales. La precisión de su cuadrícula astrométrica global de todo el cielo habría sido de 4  μas. ^{[ 5 ] [ 8 ] [ 45 ]}

El diseño del SIM desde el año 2000 consistía en dos colectores de luz (estrictamente hablando, son telescopios Mersenne) montados en los extremos opuestos de una estructura de seis metros. El observatorio habría podido medir las pequeñas oscilaciones de las estrellas y detectar los planetas que las causan, con una masa de hasta una Tierra, a distancias de hasta 33 años luz (10 pársecs) del Sol. ^{[ 46 ]}