¿Podría el próximo gran telescopio espacial de la NASA fotografiar un planeta extraterrestre similar a la Tierra orbitando otra estrella? Hace mucho que los astrónomos sueñan con este tipo de imágenes, que les permitirían estudiar mundos más allá de nuestro sistema solar en busca de signos de habitabilidad y de vida. Pero a pesar de los sueños de los astrónomos, la tecnología para hacerlos realidad parecía estar a décadas de distancia. Ahora, sin embargo, un creciente número de expertos cree que el Telescopio de Sondeo Infrarrojo de Campo Amplio (WFIRST, por sus siglas en inglés) de la NASA, podría tomar instantáneas de "otras Tierras" –y pronto–. La agencia empezó formalmente a trabajar en WFIRST en febrero de este año y planea lanzar el observatorio en 2025.

WFIRST fue concebido en 2010 como la mayor prioridad de la Encuesta Decenal de la Academia Nacional de Ciencias, un informe de astrónomos estadounidenses que propone una lista de deseos para futuras misiones de la NASA y otras agencias federales de ciencia. El corazón del telescopio es un espejo de 2,4 metros que, aunque es del mismo tamaño y calidad que el del telescopio espacial Hubble, promete vistas panorámicas de los cielos cien veces mayores que nada que Hubble pueda lograr. Utilizando una cámara llamada Instrumento de Campo Amplio, el objetivo principal de WFIRST será estudiar la energía oscura, la misteriosa fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo. Pero otro tema candente –la búsqueda existencial para saber si estamos solos en el universo–, ya está influyendo en la misión.

Los investigadores han descubierto más de mil exoplanetas –planetas que orbitan otras estrellas– desde la recomendación crucial en la Encuesta Decenal de WFIRST como la misión astrofísica de próxima generación de máxima prioridad para la NASA. Esperan encontrar decenas de miles más en los próximos 10 años. Muchos serán descubiertos por el mismo WFIRST cuando examine la Vía Láctea en busca del aumento galáctico de estrellas que brevemente se iluminan mientras los planetas cruzan en frente de ellas, actuando como lentes gravitacionales que magnifican su luz. Esa inspección podría producir por lo menos tantos mundos como Kepler, el exitoso telescopio espacial de búsqueda de planetas de la NASA que utilizó diferentes técnicas para atrapar alrededor de 5.000 planetas probables antes de que los fallos de hardware terminasen su misión principal en 2013.

Estadísticas en bruto procedentes de la totalidad de planetas conocidos ya sugieren que todas las estrellas en el cielo están acompañas de al menos uno, y que tal vez una de cada cinco estrellas similares al Sol tiene una esfera rocosa en la ni muy caliente, ni muy fría "zona habitable", donde puede existir agua líquida. La mejor manera de saber si cualquiera de estos mundos son como la Tierra es verlos –pero sacar una fotografía de un planeta a años luz de distancia no es nada fácil–. Un mundo habitable sería un punto débil perdido en el resplandor irresistible de su gran estrella, unas 10 mil millones de veces más brillante. Vislumbrarlo sería como ver una luciérnaga revoloteando junto a un proyector o una voluta de algas bioluminiscentes en una ola que se estrella contra un faro.

Luchando con la luz

La turbulenta atmósfera de la Tierra que desenfoca la luz de las estrellas es un grave obstáculo para el escaneo de planetas tenues desde los observatorios terrestres, la mayoría de los expertos coinciden en que la solución es usar telescopios espaciales. Pero ni Hubble ni su sucesor de gran tamaño, el telescopio espacial James Webb que se lanzará en 2018, están cerca de lograr el alto contraste necesario para tales observaciones. El hardware de ambos telescopios fue diseñado en su mayoría antes del aumento masivo de descubrimientos planetarios –cuando el escaneo de mundos en formación alrededor de otras estrellas todavía era considerado un tema de investigación en la periferia de la astronomía–. Además de llevar una cámara de Campo Amplio para estudios generales de astrofísica y estudios de energía oscura, también está previsto que WFIRST use un coronógrafo de escaneo de planetas avanzado, un instrumento dentro del telescopio que filtra y elimina la luz estelar mediante una compleja serie de máscaras, espejos y lentes. Pero este segundo instrumento es una adición tardía, y los espejos y otros componentes ópticos de WFIRST no están optimizados para un coronógrafo. En consecuencia, la mayoría de expertos predice que el coronógrafo de WFIRST no alcanzará el contraste necesario para escanear Tierras. En su lugar, se centrará en el escaneo de planetas gaseosos gigantes y, en las circunstancias más favorables, algunos llamados "súper-tierras" o "mini-Neptunos" que son aproximadamente dos veces del tamaño de nuestro propio planeta y se cree que ofrecen pobres perspectivas para la vida.

El coronógrafo de WFIRST oficialmente es solo un demostrador de tecnología destinado a acelerar el desarrollo de coronógrafos más sofisticados que –algún día– podrían recopilar imágenes de Tierras alienígenas. Tomar esas imágenes es tan difícil que los planes tentativos de la NASA exigen atrasarlo quizás unos 20 años o más, mientras el organismo desarrolla la tecnología y el respiro presupuestario necesarios para construir un telescopio espacial completamente nuevo después de WFIRST. Y durante ese tiempo, los astrónomos seguirán descubriendo cifras astronómicas de prometedores planetas.

Sin embargo, WFIRST puede ofrecer un atajo a través de tecnología denominada sombrilla estelar –una pantalla en forma de girasol, delgada como el papel, grande como medio campo de fútbol que flotaría decenas de miles de kilómetros directamente por delante del telescopio, bloqueando la luz de una estrella objetivo de la misma forma en que uno podría bloquear el sol en el cielo extendiendo el dedo pulgar–. La forma de pluma de la sombrilla estelar está diseñada para evitar que las ondas de luz fluyan a su alrededor, como agua sobre una roca, algo que podría arruinar su sombra ultra-oscura. A diferencia de los coronógrafos, que deben ser hechos a medida para la óptica de cualquier telescopio dado y funcionan mejor con los muy grandes, las sombrillas estelares funcionan con telescopios espaciales de prácticamente cualquier tamaño.

Este vídeo producido por JPL destaca las diferencias entre coronógrafos y sombrillas estelares, dos tecnologías que la NASA está considerando para futuros telescopios espaciales de escaneo de planetas.

Crédito: NASA / JPL-Caltech

Un atajo a las Tierras

El año pasado un estudio de la NASA (pdf) halló que se podría construir y hacer volar una sombrilla estelar funcional como misión independiente para encontrarse con WFIRST por un estimado de $500 millones  a $1.000 millones. Trabajando en equipo, la sombrilla estelar y el telescopio podrían tomar fotografías de quizás 40 planetas, incluyendo algunos que se asemejarían a la Tierra en tamaño y órbita. "Si y solo si tiene una sombrilla estelar, WFIRST podría darnos imágenes de algunas verdaderas Tierras a finales de la próxima década en lugar de esperar otros 20 años", dice Jeremy Kasdin, profesor de la Universidad de Princeton y científico jefe del coronógrafo de WFIRST y coautor del estudio de la NASA sobre la sombrilla estelar. "Esta es una oportunidad real de encontrar otra Tierra pronto y por menos dinero, antes de hacer una gran inversión en el próximo telescopio espacial gigante de la NASA".

En el sótano del Laboratorio de Química Frick de Princeton, Kasdin está trabajando febrilmente en un banco de pruebas: un tubo de un metro de ancho y 75 metros de largo con una cámara en un extremo, un láser en el otro y una sombrilla estelar a escala reducida en el medio. A finales de verano, predice, el banco de pruebas habrá demostrado la relación de contraste necesaria que, escalada a tamaño completo, podría permitir el escaneo de planetas similares a la Tierra.

Kasdin no está solo en sus labores en el sótano; una creciente "comunidad de la sombrilla estelar" está ahora realizando trabajos adicionales. La compañía aeroespacial Northrop Grumman ha probado sombrillas estelares miniaturizadas en el lecho de un lago seco en Nevada y en un telescopio solar gigante en Arizona. Y en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, los investigadores están mostrando cómo fabricar delicados pétalos de sombrilla estelar a mayor escala, doblar la estructura entera en el interior de un cohete, para luego desdoblar y desplegarla hasta el tamaño de un campo de béisbol.

A pesar de que WFIRST está a casi una década de su lanzamiento, la decisión de seguir adelante con los preparativos para una cita con la sombrilla estelar deben llegar pronto, porque WFIRST debe recibir pequeñas modificaciones para permitir que se sincronice con la sombrilla estelar a través de decenas de miles de kilómetros de espacio vacío. "A esto le llamamos estar ‘preparado para la sombrilla estelar’", dice Kasdin. "Esto no está en el diseño actual de WFIRST, y no podemos simplemente posponer estos cambios indefinidamente.... Para el próximo año más o menos necesitamos haber decidido si vamos a hacer que esté preparado para la sombrilla estelar o no".

Un "proyecto de tecnología sombrilla estelar"

Pero hasta ahora, los altos funcionarios de la NASA han expresado cautela acerca de comprometerse a una misión de este tipo. "En principio, añadir una sombrilla estelar permitiría a WFIRST escanear y estudiar exoplanetas con más detalle del que es posible con el coronógrafo interno", dice John Grunsfeld, administrador asociado saliente del Directorio de Misiones Científicas de la NASA. "Sin embargo, la tecnología de sombrilla estelar está todavía en pañales, por lo que tenemos mucho camino por recorrer antes de poder construir una sombrilla estelar que vuele con WFIRST".

Un impedimento clave es el dinero. El presupuesto de $2.300 millones de WFIRST es relativamente esbelto comparado con el de los principales telescopios espaciales de la NASA, restringido por el crecimiento extremo de los costos de $ 8.800 millones de su ambicioso predecesor telescopio Webb, aún por lanzar. Con la División de Astrofísica de la NASA preparando el lanzamiento del Webb y el aumento gradual de trabajo en WFIRST, su presupuesto actual no puede apoyar al mismo tiempo el desarrollo a toda velocidad de una sombrilla estelar.

La política y la elección del momento oportuno son otros obstáculos. Las limitaciones presupuestarias profesadas por la NASA encajan con la aversión de la agencia a elegir unilateralmente grandes misiones astrofísicas. En lugar de ello, la NASA tiene la intención de permitir a los astrónomos estadounidenses trazar su curso mediante la siguiente Encuesta Decenal en 2020, en la que una cita de WFIRST con una sombrilla estelar podría competir formalmente para ser priorizado con un amplio y diverso menú de otras posibles misiones espaciales. "En este momento no hay planes para poner una sombrilla estelar en WFIRST", dice Paul Hertz, director de la División de Astrofísica de la NASA. En cambio, dice, la agencia está "en modo no-descartemos-la-sombrilla-estelar”. Sin embargo, resulta que no descartar una sombrilla estelar se parece mucho a un esfuerzo conjunto por construir y lanzar una.

Cuando la NASA anunció el inicio formal de WFIRST en febrero, también confirmó que el telescopio se lanzaría a una órbita a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, donde las condiciones son lo suficientemente tranquilas para que una sombrilla estelar funcione sin molestias. En cambio, en muchos planes anteriores la misión estaba diseñada para la órbita terrestre alta, donde la luz del sol rebotando en nuestro planeta habría destruido el delicado trabajo de una sombrilla estelar. En enero la NASA formó un Grupo de Trabajo de Preparación de la Sombrilla Estelar para idear planes para validar la tecnología necesaria para una sombrilla estelar a tiempo para una cita con WFIRST. Por último, el mes pasado la NASA designó formalmente la sombrilla estelar como una "actividad de desarrollo de la tecnología", un movimiento que integra todos los proyectos dispares de la agencia relacionados con un todo más coherente. "Internamente, estamos llamando a esto el "Proyecto de Tecnología Sombrilla Estelar”, dice Nick Siegler, director de tecnología del Programa de Exploración de Exoplanetas de la NASA, con sede en el JPL. "El objetivo es madurar toda la tecnología de la sombrilla estelar antes del final de la década para que podamos enviarlo con confianza para su aprobación por la Encuesta Decenal".

Negocio riesgoso

Aunque políticamente prudente, el plan actual de la NASA de aplazar la decisión sobre la cita de WFIRST con la sombrilla estelar hasta la década de 2020 conlleva importantes riesgos. Es casi seguro que retrasaría el lanzamiento de cualquier sombrilla estelar hasta después de que la misión primaria de seis años de WFIRST haya terminado. La mayoría de las naves espaciales de la NASA sobreviven a sus misiones principales y entran en fases "extendidas" después de lograr sus objetivos fundamentales, pero pueden ocurrir –y ocurren– accidentes o fallos de hardware que hacen terminar la misión. "Como científico, quiero ver una sombrilla estelar volar con la misión principal de WFIRST", dice Sara Seager, una profesora en el Instituto Tecnológico de Massachusetts que presidió el estudio de la NASA del encuentro con la sombrilla estelar, "porque no podemos garantizar que WFIRST vivirá más allá de su la misión principal”. Y añade: "la misión Kepler tenía una misión primaria de cuatro años, ¿adivinen cuánto tiempo duró la nave espacial? Cuatro años. No me gustaría desarrollar una sombrilla estelar solo para no tener un WFIRST con el que usarla. ¿Qué hará la NASA entonces, construirnos otro telescopio? No parece probable".

Según Siegler y otros, un riesgo adicional de aplazar el desarrollo de la sombrilla estelar es que podría obstaculizar la planificación de un hipotético telescopio espacial que vendría años, si no décadas después de WFIRST, uno con un espejo monumental de ocho o incluso 16 metros de diámetro. Sería lo suficientemente grande como para buscar y escanear Tierras alrededor de miles de las estrellas vecinas del Sol –lo suficientemente grande como para proporcionar al fin una respuesta estadísticamente significativa a la pregunta de si estamos o no solos cósmicamente–. Apenas el mes pasado la NASA certificó dos equipos para estudiar y recomendar posibles diseños para este tipo de telescopios, ordenando a cada equipo que presente sus conclusiones a la agencia para 2019 –antes de que la Encuesta Decenal decida sobre una cita con la sombrilla estelar–. "La gran pregunta es ¿qué tecnología de supresión de luz estelar van a escoger estos estudios?", dice Siegler. "Podría pensar que el coronógrafo está en primera fila, ya que es más fácil de construir y poner a prueba, y probablemente tendría razón. Esa es una razón por la que ya está en la línea base de WFIRST. La sombrilla estelar podría ser una mejor opción, pero requiere un telescopio y una nave espacial independientes una de otra, con algo así como 50.000 kilómetros entre sí. ¿Dónde en el mundo puede realmente probarse algo por el estilo? ¿No sería un gran uso del dinero de los contribuyentes probar una sombrilla estelar en un telescopio que ya está en el espacio?"

En sus capacidades de observación, las dos tecnologías son complementarias. Como un instrumento más en un telescopio, los coronógrafos pueden cambiar con agilidad entre objetivos en el cielo y ser sobresalientes en los descubrimientos planetarios. Las sombrillas estelares, por el contrario, toman días o semanas para poder cambiar de objetivo, pero compensan su ritmo lento con una mejor sensibilidad, que los convierte en la mejor elección para el estudio de planetas a mayor detalle.

Aki Roberge, astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y científico jefe de uno de los estudios de la agencia de futuros telescopios, dice que el camino correcto para encontrar otra Tierra puede ser elegir y utilizar los dos. "En un mundo perfecto la misión perfecta probablemente tiene tanto un coronógrafo como una sombrilla estelar. Cualquier cosa que se pueda hacer para mantener abiertas ambas opciones es deseable para el futuro a largo plazo".