Misión Kepler, buscando planetas.

La Misión Kepler & K2.

Créditos: NASA Ames/W. Stenzel.

Objetivo científico.

El objetivo científico de la Misión Kepler es explorar la estructura y diversidad de los sistemas planetarios. Esto se logra estudiando una gran muestra de estrellas para:

1. Determinar la abundancia de planetas terrestres y grandes en o cerca de la zona habitable de una gran variedad de estrellas.
2. Determinar la distribución de tamaños y formas de las órbitas de estos planetas.
3. Estimar cuántos planetas hay en sistemas de múltiples estrellas.
4. Determinar la variedad de tamaños de órbitas y reflexividades de los planetas, tamaños, masas y densidades de los planetas gigantes de período corto.
5. Identificar miembros adicionales de cada sistema planetario descubierto usando otras técnicas.
6. Determinar las propiedades de esas estrellas que albergan sistemas planetarios.

La Misión Kepler también apoya los objetivos de las futuras misiones temáticas de la NASA, la Misión de Interferometría Espacial (SIM) y el Buscador de Planeta Terrestre (TPF),

• Mediante la identificación de las características estelares comunes de las estrellas de acogida para futuras búsquedas de planetas.
• Al definir el volumen de espacio necesario para la búsqueda. 
• Al permitir que SIM se dirija a sistemas ya conocidos por tener planetas terrestres.

Importancia de la detección de planetas.

La búsqueda centenaria de otros mundos como nuestra Tierra ha sido rejuvenecida por la intensa emoción y el interés popular que rodea el descubrimiento de cientos de planetas que orbitan otras estrellas.

Ahora hay evidencia clara de un número sustancial de tres tipos de exoplanetas:

1. Gigantes gaseosos.
2. Super Tierras calientes en periodos cortos de órbita.
3. Gigantes de hielo. 

Los siguientes sitios web están siguiendo el día a día el aumento de nuevos descubrimientos y están proporcionando información sobre las características de los planetas, así como las de las estrellas que orbitan: La Enciclopedia de Planetas Extrasolares, el Archivo Exoplanetario de la NASA y el Atlas de Nuevos Mundos.

El reto ahora es encontrar planetas terrestres (es decir, aquellos de una a dos veces el tamaño de la Tierra), especialmente aquellos en la zona habitable de sus estrellas donde podría existir agua líquida y posiblemente vida.

La Misión Kepler, misión NASA Discovery #10, está específicamente diseñada para examinar una porción de nuestra región de la galaxia de la Vía Láctea para descubrir decenas de planetas de tamaño Tierra en o cerca de la zona habitable y determinar cuántos de los miles de millones de estrellas en nuestra galaxia tienen planetas. Los resultados de esta misión nos permitirán colocar nuestro sistema solar dentro del continuo de los sistemas planetarios en la Galaxia.

El Método de Tránsito para Detectar Planetas Extrasolares.

Nota blog: Un planeta extrasolar o exoplaneta es  un planeta que orbita una estrella distinta a nuestro Sol y que no emite luz mediante medios propios.

Cuando un planeta cruza frente a su estrella según lo ve un observador, el evento se llama tránsito. Los tránsitos por planetas terrestres producen un pequeño cambio en el brillo de una estrella de aproximadamente 1/10.000 (100 partes por millón, ppm), durando de 1 a 16 horas. Este cambio debe ser periódico si es causado por un planeta. Además, todos los tránsitos producidos por el mismo planeta deben ser del mismo cambio de brillo y durar la misma cantidad de tiempo, proporcionando así una señal altamente repetible y un método de detección robusto.

Una vez detectado, el tamaño orbital del planeta se puede calcular a partir del período (cuánto tiempo lleva el planeta a orbitar una vez alrededor de la estrella) y la masa de la estrella usando la tercera ley de Kepler del movimiento planetario. El tamaño del planeta se encuentra desde la profundidad del tránsito (cuánto el brillo de la estrella cae) y el tamaño de la estrella. A partir del tamaño orbital y la temperatura de la estrella, se puede calcular la temperatura característica del planeta. Conocer la temperatura de un planeta es clave para saber si el planeta es habitable (no necesariamente habitado). Solamente los planetas con temperaturas moderadas son habitables para la vida similar a lo encontrado en la tierra.

El diseño de la misión de Kepler.

Para que un planeta transite, como se ve desde nuestro sistema solar, la órbita debe estar alineada hacia arriba con nosotros. La probabilidad de que una órbita esté alineada correctamente es igual al diámetro de la estrella dividido por el diámetro de la órbita. Esto es 0.5% para un planeta en una órbita similar a la Tierra alrededor de una estrella parecida al Sol. (Para los planetas gigantes descubiertos en órbitas de cuatro días, la probabilidad de alineación es más del 10%.) Para detectar muchos planetas, uno no puede mirar sólo unas pocas estrellas para los tránsitos o incluso unos pocos cientos. Uno debe mirar a miles de estrellas, incluso si los planetas similares a la Tierra son comunes. Si son raros, entonces uno necesita mirar a muchos miles para encontrar incluso algunos. Kepler observa más de 100.000 estrellas de modo que si las Tierras son raras, un resultado nulo o casi nulo seguiría siendo significativo. Si los planetas del tamaño de la Tierra son comunes entonces Kepler debe detectar cientos de ellos.

Teniendo en cuenta que queremos encontrar planetas en la zona habitable de estrellas como el Sol, el tiempo entre los tránsitos es de aproximadamente un año. Para detectar de forma fiable una secuencia se necesitan cuatro tránsitos. Por lo tanto, la duración de la misión debe ser de al menos tres años y medio. Si la Misión Kepler continúa por más tiempo, será capaz de detectar planetas más pequeños y más distantes, así como un mayor número de análogos de la Tierra verdadera.

El instrumento Kepler es un telescopio especialmente diseñado de 0,95 metros de diámetro llamado fotómetro o medidor de luz. Tiene un campo de visión muy grande para un telescopio astronómico de 105 grados cuadrados, que es comparable al área de su mano sostenida en la longitud del brazo. Los campos de visión de la mayoría de los telescopios tienen menos de un grado cuadrado. Kepler necesita el gran campo de visión para observar el gran número de estrellas. Contempla el mismo campo estelar para toda la misión y monitorea continuamente y simultáneamente los brillos de más de 100.000 estrellas durante al menos 3.5 años, la longitud inicial de la misión, que puede extenderse.

Kepler-11 es una estrella pequeña y fria alrededor de la cual
 orbitan seis planetas. Crédito: NASA/Tim Pyle

El diámetro del telescopio debe ser lo suficientemente grande como para reducir el ruido de las estadísticas de conteo de fotones, de modo que pueda medir el pequeño cambio en el brillo de un tránsito similar a la Tierra. El diseño de todo el sistema es tal que la precisión fotométrica diferencial combinada sobre una integración de 6,5 horas es inferior a 20 ppm (una sigma) para una estrella de magnitud solar de 12ª magnitud incluyendo una supuesta variabilidad estelar de 10 ppm. Esta es una suposición conservadora, de peor caso, de un tránsito de pastoreo. Un tránsito central de la Tierra que cruza el Sol dura 13 horas. Y alrededor del 75% de las estrellas mayores de 1 Gyr (1 billón de años) son menos variables que el Sol en la escala de tiempo de un tránsito.

El fotómetro debe tener una base espacial para obtener la precisión fotométrica necesaria para ver fiablemente un tránsito similar a la Tierra y evitar interrupciones causadas por ciclos día-noche, ciclos estacionales y perturbaciones atmosféricas, como la extinción asociada a la observación terrestre.

Ampliar la misión más allá de tres años y medio prevé:

• Mejorar la señal al ruido combinando más tránsitos para permitir la detección de planetas más pequeños
• Encontrar planetas en órbitas con períodos mayores
• Encontrar planetas alrededor de estrellas que son más ruidosas debido a ser más débil o tener más variabilidad

Resultados previstos.

Sobre la base de la misión descrita anteriormente, incluyendo suposiciones conservadoras sobre los criterios de detección, la variabilidad estelar, teniendo en cuenta sólo las órbitas con 4 tránsitos en 3,5 años, etc, y suponiendo que los planetas son comunes alrededor de otras estrellas como nuestro Sol, entonces esperamos detectar :

De tránsitos de planetas terrestres en órbitas de un año:

• Alrededor de 50 planetas si la mayoría son del mismo tamaño que la Tierra (R ~ 1.0 Re) y ninguno más grande.
• Alrededor de 185 planetas si la mayoría tiene un tamaño de R ~ 1.3 Re.
• Alrededor del 12% con dos o más planetas por sistema.
• Se puede encontrar un número sustancialmente mayor de planetas de tamaño terrestre si se tienen en cuenta todas las órbitas de unos pocos días a más de un año.

De tránsitos de planetas gigantes:

• Cerca de 135 detecciones de órbitas internas.
• Densidades para 35 planetas de órbita interna.
• Cerca de 30 detecciones de órbita externa.
• Muchos candidatos que pueden ser planetas gigantes de período corto ya han sido detectados, estos se están estudiando más para eliminar falsos positivos.

El tamaño de la muestra de las estrellas para esta misión es lo suficientemente grande para capturar la riqueza de lo inesperado. Si no se realiza ninguna detección, un resultado nulo seguirá siendo muy significativo.

Características del sistema.

KEPLER.

• Fotómetro con base espacial: abertura de 0,95 m.
• Espejo primario: 1,4 metros de diámetro, 85% de luz.
• Detectores: 95 megapíxeles (21 módulos cada uno con dos CCD de 2200x1024 píxeles).
• Paso de banda: 430-890 nm FWHM.
• Rango dinámico: estrellas de la 9ª a la 16ª magnitud.
• Sensores de guía fina: 4 CCDs ubicados en el plano focal de la ciencia.
• Estabilidad de la actitud: <9 mili-arcsec, 3 sigma durante 15 minutos.
• Aviónica: bloquear completamente redundante.
• Almacenamiento de datos científicos:> 60 días.
• Banda X de enlace ascendente: 7,8125 bps a 2 kbps.
• Banda descendente X: 10 bps a 16 kbps.
• Banda Ka de enlace descendente: Hasta 4.33125 Mbps.
• Funcionamiento fotométrico con ruido de una sola sigma.
• Ruido total con variabilidad estelar parecida a la solar y fotones.
• Ruido de tiro para un mv = 12 estrellas: <2x10-5.
• No hay mecanismos que no sean una cubierta ejectable de una sola vez y tres mecanismos de enfoque para el espejo primario..
• Segmento de vuelo y masa del instrumento: 1071 kg, máximo esperado (10/06).
• Segmento de vuelo y potencia del instrumento: 771 W, máximo esperado (10/06).
• Segmento de vuelo etiquetado.

Características de la Misión.

Los objetivos de la misión son los siguientes:

• Señalar continuamente un solo campo estelar en la región de Cygnus-Lyra, constelaciones, excepto durante el enlace descendente de la banda Ka.
• Hacer rodar la nave espacial 90 grados alrededor de la línea de visión cada 3 meses para mantener el sol en los paneles solares y el radiador apuntando al espacio profundo.
• Monitoreado de 150.000 estrellas de secuencia principal para los planetas.
• Tiempo de vida de la misión de 3,5 años prorrogable hasta por lo menos 6 años.
• D2925-10L (Delta II) se lanza en una órbita heliocéntrica arrastrando a la Tierra.
• Centro de Operaciones Científicas y Gestión de Proyectos (operaciones) en el Centro de Investigación Ames.
• Gestión de proyectos (desarrollo) en Jet Propulsion Laboratory.
• Diseño y fabricación de segmentos de vuelo en Ball Aerospace & Technologies Corp.
• Mission Operations Center en el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial (LASP), Universidad de Colorado.
• Centro de Gestión de Datos en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial.
• Deep Space Network para telemetría.
• Contacto de rutina:
• Contacto con la banda X dos veces por semana para comandar, salud y estado.
• Ka-banda de contacto una vez al mes para la ciencia de datos de enlace descendente.

La Misión Kepler HOY.

La nave espacial Kepler se lanzó en marzo de 2009 y pasó un poco más de cuatro años supervisando a más de 150.000 estrellas en la región Cygnus-Lyra con muestreo continuo de 30 minutos o 1 minuto. El objetivo científico principal de la misión de Kepler fue la detección de exoplanetas por tránsito, con énfasis en los planetas terrestres (R < 2.5 Radio Tierra) situados dentro de las zonas habitables de las estrellas parecidas al Sol.

Kepler superó su vida nominal de misión de tres años y continuó operando por un año adicional como una misión extendida. Entre las misiones nominales y extendidas, Kepler ha descubierto miles de planetas en tránsito y ha revelado que los pequeños planetas son abundantes en la Galaxia. El objetivo final de la misión de Kepler es medir la fracción de las estrellas con planetas del tamaño de la Tierra, así como la fracción de estrellas que albergan planetas de la Tierra en la Zona Habitable, obra que todavía está en marcha por la Oficina de Ciencia de Kepler. También se anima a la comunidad a explotar el archivo de datos único de la misión.

KEPLER & K2, extendiendo el poder de Kepler a la eclíptica.

Créditos: NASA Ames/W. Stenzel

La pérdida de una segunda de las cuatro ruedas de reacción a bordo de la nave espacial Kepler en mayo de 2013 puso fin a la misión científica de cuatro años más de Kepler para supervisar continuamente más de 150.000 estrellas para buscar exoplanetas en tránsito. Desarrollada a lo largo de los meses posteriores a este fracaso, la misión K2 representa un nuevo concepto para operaciones espaciales que permite realizar observaciones científicas continuas con el telescopio espacial Kepler. K2 entró en pleno funcionamiento en junio de 2014 y se espera que siga funcionando hasta 2017 o 2018.

La misión K2 consiste en una serie de "Campañas" de observación secuencial de campos distribuidos alrededor del plano eclíptico y ofrece una precisión fotométrica que se aproxima a la de la misión original de Kepler. Operando en el plano eclíptico minimiza el par de torsión ejercido sobre la nave espacial por la presión del viento solar, reduciendo la deriva apuntando hasta el punto donde la actitud de la nave espacial puede ser controlada efectivamente a través de una combinación de propulsores y las dos ruedas de reacción restantes. Por lo tanto, cada campaña está limitada por restricciones de ángulo solar a una duración de aproximadamente 80 días.

Motivaciones científicas de K2.

K2 es una misión totalmente comunitaria. Todas las metas de K2 son propuestas por la comunidad a través del programa de observadores invitados. El potencial científico abarca una amplia gama de objetivos en el campo de la astrofísica. 

Se prevee:

• Proporcionar un rendimiento de planetas calientes alrededor de estrellas brillantes para la espectroscopia de tránsito de seguimiento para facilitar avances rápidos en la caracterización de las atmósferas exoplanetas.
• Proporcionar un rendimiento de pequeños planetas alrededor de estrellas brillantes y pequeñas para facilitar las medidas de seguimiento más precisas hasta la fecha de masas, densidades y composiciones.
• Identificar las ubicaciones y características de los planetas potencialmente habitables alrededor de las enanas M brillantes en el vecindario solar.
• Determine si existen gigantes de gas caliente alrededor de estrellas jóvenes, o si migran a órbitas pequeñas en una época posterior por interacciones de marea u otras causas.
• Determinar la relación entre la estructura estelar, la rotación y la actividad dentro de las asociaciones estelares en un rango de edades y la metalicidad de las estrellas.
• Identificar los progenitores de las supernovas de tipo Ia, la causa/causante de la explosión, de la estructura fotométrica en la subida al máximo de explosión.
• Descubrir y caracterizar estrellas binarias dentro de cúmulos abiertos y asociaciones estelares.
• Caracterizar la estructura estelar interna y las propiedades fundamentales de las estrellas utilizando las herramientas de la asteroseismología.
• Proporcionar un gran sondeo de cadencia regular de la actividad AGN en el paso óptico.
• Participa en campañas de monitoreo multi-misión y multi-bandas de objetivos eclípticos junto con otros equipos basados ​​en el espacio o telescopios terrestres.

Objetivos potenciales de la misión K2.

La misión de K2 da la bienvenida a todas las propuestas incluyendo, pero no en exclusiva a, exoplanetas, estrellas, extragalácticos y ciencia del sistema solar. La siguiente es una lista de objetivos potenciales:

• Posibles tránsitos de planetas habitables.
• Conocidos exoplanetas habitables.
• Estrellas pulsantes.
• Estrellas de rotación variable.
• Estrellas ardientes.
• Acrección estelar y sistemas binarios interactivos.
• Estrellas binarias.
• Cúmulos abiertos.
• Asociaciones estelares.
• Galaxias y supernovas.
• Núcleos galácticos activos.
• Microlentes.
• Planetas del Sistema Solar.
• Asteroides.
• Cometas.

Créditos: 

NASA/Ames/JPL-Caltech.