El estudio de los exoplanetas es una parte importante de los objetivos científicos del Telescopio Espacial James Webb. Le preguntamos a Christopher Stark, científico adjunto del Programa de Observación de Webb en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, sobre una de las formas de Webb. Estudiar otros mundos.

El telescopio espacial James Webb de la NASA tiene una variedad de métodos de observación para estudiar planetas que orbitan alrededor de otras estrellas, conocidos como exoplanetas. Especialmente una forma en que la web puede Infórmate directamente Algunos de estos planetas. La detección directa de planetas alrededor de otras estrellas no es una tarea fácil. Incluso las estrellas más cercanas están tan lejos que sus planetas parecen estar separados por una fracción del ancho de un cabello humano. En estas pequeñas escalas angulares, la luz más tenue del planeta se pierde en el resplandor de su estrella anfitriona cuando intenta seguirla.

Afortunadamente, Webb tiene las herramientas adecuadas para el trabajo: métodos coronagráficos de cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) e instrumento de infrarrojo medio (MIRI). Los coronógrafos de Webb bloquean la luz de una estrella distante mientras permiten que la tenue luz planetaria llegue a sus sensores. No es diferente a usar la visera de nuestro automóvil al atardecer o al amanecer para ver los automóviles que tenemos delante, aunque Webb usa una «visera» más elegante.

Imágenes coronagráficas Web NIRCam y MIRI de HIP 65426 b. El asterisco blanco indica la ubicación de la estrella bloqueada por los coronógrafos. El plano del estudiante no muestra el patrón de difracción de seis lados característico de la red de exoplanetas debido a las máscaras del coronógrafo. Crédito: NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), equipo ERS 1386 y A. Pagan (STScI). Descarga la imagen completa aquí.

A lo largo del camino de la luz a través de la óptica de la red, hay varios lugares críticos llamados «planos». El «plano de la imagen» es el foco del cielo distante que incluye todos los objetos astrofísicos. El «plano de la pupila» permite que se enfoque la superficie del espejo primario, que se utilizó para crear El “selfie” de la web Todos los coronógrafos de Webb enmascaran físicamente la luz estelar no deseada tanto en la imagen como en los planos de la pupila para mejorar el rendimiento. La mayoría de las máscaras de plano de imagen de la web se asemejan a puntos o barras opacos que eliminan la luz de las estrellas al bloquearla en la imagen. Una excepción a esto son las «máscaras de fase de cuatro cuadrantes» de MIRI, que desplazan las puntas de onda de una parte de la onda de luz para que se cancele con otra parte a través de un proceso llamado «interferencia destructiva».

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Sin embargo, debido a la naturaleza ondulatoria de la luz, las máscaras del plano de la imagen no pueden bloquear completamente la estrella. Entonces Webb usa máscaras de vuelo de pupila extra, también conocidas como leo se detiene, para eliminar la mayor parte de la luz estelar restante. Estas máscaras del plano de la pupila son muy diferentes del espejo primario hexagonal (la «pupila» binocular). Como resultado, los objetos fotografiados con coronógrafos no muestran el patrón de difracción de seis picos característico de Webb, como se muestra en las observaciones anteriores.

Izquierda: hardware de máscara de plano de imagen coronagráfica de NIRCam, que consta de dos barras en forma de cuña y tres puntos redondos (de izquierda a derecha). Derecha: hardware de cuatro máscaras de plano de imagen coronagráfica de MIRI que consta de tres máscaras de fase de cuatro cuadrantes con cambio de fase y un punto redondo (de izquierda a derecha).

Ilustración de la máscara de plano de pupila de NIRCam/máscara de plano de imagen redonda de parada de Leod (izquierda) y máscara de plano de imagen de barra (derecha). La transmisión a través de la máscara se limita a las áreas blancas. La pupila binocular de Webb se muestra en gris para comparar. Crédito: Mao et al. 2011

El instrumento NIRCam de Webb consta de cinco máscaras coronagráficas, cada una de las cuales se puede configurar para monitorear diferentes longitudes de onda de 1,7 a 5 micrones. El instrumento MIRI de Webb consiste en cuatro máscaras coronagráficas que operan en longitudes de onda fijas entre 10 y 23 micrones. Los coronógrafos pueden observar objetos de cerca.

A pesar de las máscaras, los coronógrafos de Webb nunca eliminan por completo la luz de una estrella. Los astrónomos de Webb aplicarán cuidadosamente varios «métodos de resta de función de dispersión de puntos (PSF)» para eliminar los últimos restos de luz. En pocas palabras, significa medir el patrón de luz estelar residual y luego restarlo de la imagen científica. Al final, lo que queda es un patrón de aspecto fuerte que finalmente descarta un exoplaneta débilmente detectable. Este rango se expresa en términos de «contraste», que es la relación de brillo entre el planeta detectable más débil y la estrella. Cuando se ordenaron, los coronógrafos NIRCam y MIRI de Webb superaron a los diferenciales.

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Izquierda: imagen de ejemplo de luz estelar residual después de la supresión por el coronógrafo MIRI F1065C. Derecha: la misma imagen después de la sustracción de PSF, eliminando la mayor parte de los restos estelares restantes. La estrella se encuentra en el centro de la imagen. El patrón negro y amarillo en el centro de la imagen muestra el planeta detectable más débil en una observación. Crédito: Boccoletti et al. (2022)

El gran espejo primario y las capacidades infrarrojas de Webb hacen que sus coronógrafos sean especialmente adecuados para estudiar objetos débiles en el infrarrojo, complementando otros instrumentos que actualmente observan en otras longitudes de onda, incluido el coronógrafo STIS del Hubble y varios instrumentos en observatorios terrestres. Los astrónomos de exoplanetas utilizan principalmente los coronógrafos de Webb para proporcionar las primeras imágenes de exoplanetas en longitudes de onda superiores a 5 micrones, como el que se muestra arriba, para detectar planetas extrasolares gigantes que aún no se han formado y están calientes. Webb también sobresaldrá en la obtención de imágenes de densos discos circunestelares de escombros formados por asteroides y cometas en estos sistemas exoplanetarios, y discos protoplanetarios donde aún se están formando planetas. Los coronógrafos de Webb también se pueden utilizar en astronomía extragaláctica para estudiar galaxias anfitrionas con núcleos galácticos activos brillantes.

Los coronógrafos de Webb no pueden revelar eso. Todo Secretos de un Sistema Planetario. Para obtener imágenes de planetas como el nuestro alrededor de estrellas similares al Sol, necesitamos observar aún más cerca de la estrella y detectar planetas. Uno Diez billones El brillo de la estrella. Esto requerirá un trabajo futuro completamente desarrollado en torno a los coronógrafos de próxima generación. Afortunadamente, la NASA ya se está ocupando de eso. El próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la agencia llevará un instrumento de demostración de tecnología para probar la tecnología de coronógrafo de próxima generación. Además, la NASA está sentando las bases para un mayor desarrollo tecnológico del concepto de misión del Observatorio de Mundos Habitables, un telescopio diseñado para operar en la misma longitud de onda que el Hubble, pero siguiendo las recomendaciones de la Encuesta decenal de astrofísica de 2020. Encuentre exoplanetas verdaderamente similares a la Tierra alrededor de otras estrellas y busque señales de vida.

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– Christopher Stark, científico del Programa de Observación por Satélite Webb, NASA Goddard