miércoles, 3 de julio de 2013

¿Cómo encontrar VIDA EXTRATERRESTRE en infrarrojo? Segunda Parte

Por Martin Arin

Esta es la segunda parte de esta nota (para ver la primera aqui). Veremos como podrían ser las civilizaciones alienígenas (al menos en su comportamiento) y que necesitamos para encontrarlas. Se estima que en 5 años (2018) ya estaríamos en condiciones hallarlas.

Aquí puedes ver una imagen de un planeta con su satélite (a la izquierda), de una civilización extraterrestre.  Dado su desarrollo, tienen una gran emisión de energía infrarroja, pero son casi invisibles en luz visible.
A medida que se incrementa el uso de energía

La huella de la energía de la vida y de la civilización aparece como  radiación de calor infrarrojo, y una manera conveniente para describir la fuerza de estas señales es en términos de la potencia estelar total que  incide en el planeta huésped.


La producción de energía terrestre global actual en la Tierra es de 15 billones de vatios (15 Tera Watts)- que es 0,04 por ciento del total de la energía solar que la Tierra intercepta. ( llamaremos ῼ (omega) a la relación entre la producción de energía de una civilización extraterrestre respecto de  la cantidad de energía solar).

Mientras tanto, la potencia total usada por  la fotosíntesis en la Tierra es de aproximadamente 0,2 por ciento del total de la luz que cae sobre el planeta desde el Sol, es como leña para la mayoría de la cadena alimentaria terrestre e ilustra que la civilización de la Tierra consume sólo el 20 por ciento como mucho en  los procesos biológicos. La potencia que irradiamos hacia el espacio en iluminación es menos de 10 por ciento del consumo total de energía humana.

Mientras se desarrollan las civilizaciones como la de la Tierra, utilizan más energía. Por ejemplo, en la época romana, se estima ῼ fue de aproximadamente 1/1.000 de lo que es hoy. El consumo global de potencia del ser humano está creciendo en alrededor de 2,5 por ciento anual, a pesar de que la población mundial está creciendo a menos de la mitad de esta tasa. En contraste con esto, nuestra base de conocimientos (la suma de toda la información registrada) se duplica en sólo dos años. A medida que avanza la cultura, su contenido de información también debe crecer, y el poder requerido para manipular este conocimiento finalmente domina el consumo de energía total de una civilización.


Naturalmente la luz estelar absorbida calienta el planeta, pero la generación de energía de una civilización también contribuye a la temperatura global. La mejor política energética para tal civilización sería absorber y utilizar el poder de toda  la luz incidente de su estrella, lo que sería la potencia necesaria para la civilización extraterrestre como para calentar el planeta. Esto también sería disminuiría la reflectancia del planeta (o albedo) y aumentaría ῼ hacia 1.

El calentamiento planetario mundial establece un límite fundamental en la potencia que una civilización puede consumir. Este fenómeno también proporciona una forma potencial de encontrar una civilización extraterrestre - a partir de su radiación de calor residual.

Investigadores basados en la Tierra pueden utilizar cualquier luz residual reflejada por el planeta para aprender acerca de la variación geográfica de su superficie. Con la nueva tecnología que tenemos, podemos mejorar la idea de Dyson y buscar el calor de las ciudades alienígenas a medida que giran y aparecen o desaparecen de la vista de la Tierra, incluso con un telescopio que no podría tener imágenes directas de ciudades extraterrestres.

Hemos visto en nuestro planeta que la civilización tiende a agruparse geográficamente. Las poblaciones de la Tierra se concentran en centros urbanos, y esperamos que los extraterrestres sigan la misma tendencia. La geografía de un planeta y la necesidad de uso de la tierra para fines agrícolas y urbanas fuerza a las civilizaciones a que se aglutinen.

Si las otras civilizaciones se parecen a la humana, tendrán grandes acumulaciones  geográficas.
Aunque las imágenes directas de una civilización alienígena no son posibles con cualquier telescopio actual, si es posible detectar estas agrupaciones. Desde la  Tierra podemos ver el calor que se irradia como una variación en el tiempo, debidos a los movimientos de rotación y la órbita del planeta alrededor de su estrella madre y ver como estas ciudades exóticas pasan por delante del planeta, hacia la Tierra.

La fuente de calor

Los astrónomos estudian los cambios en el brillo de una estrella para aprender sobre, por ejemplo, las "manchas solares" en su superficie.

Análogamente, los científicos pueden estudiar el brillo de los planetas extrasolares para investigar su superficie a medida que giran (a menos que su eje de rotación esté alineado con nuestra línea de visión). Este brillo variable en el tiempo es observable con telescopios basados ​​en la Tierra y nos podría decir acerca de las fuentes de calor distribuidas heterogeneamente en un planeta.

Las simulaciones numéricas sugieren que las mediciones de las variaciones de brillo de un planeta en la radiación visible e infrarroja hacen que sea posible "ver" una civilización extraterrestre. Un gran telescopio infrarrojo puede observar incluso las civilizaciones que utilizan 1 por ciento de la energía solar total que interceptan. Mediante la combinación de observaciones visibles e infrarrojas del planeta, podemos separar la firma de la civilización de las variaciones naturales (debido a la geografía) en la superficie del planeta en rotación.

Frank Drake, creador de la ecuación que lleva su nombre.
A diferencia de las fuentes naturales de calor planetarios (como volcanes) y absorbentes (como nubes), las huellas térmicas de una civilización es probable que tengan una temperatura sólo ligeramente superior a la media del planeta. Las leyes de la termodinámica nos dicen que la potencia más utilizable (por ejemplo, para calentar edificios alienígenos, encender lámparas, o utilizar las computadoras) se produce cuando se devuelve el calor residual al medio ambiente planetario en temperaturas cercanas al ambiente.

La señal térmica alienigena puede ser oscurecida por el "ruido" de la radiación natural del planeta, pero las mediciones específicas  podrían ayudar a identificarla. Por ejemplo, con datos de dos longitudes de onda infrarrojas, podríamos distinguir la señal térmica de la civilización de otras firmas de calor naturales.

Adonde apuntamos?

Los exoplanetas similares a la Tierra, cercanos, con agua líquida son, posiblemente, los más propensos a albergar vida y con los que  podríamos eventualmente comunicarnos  y aprender. Debido a que tales planetas se encuentran dentro de la zona habitable de su sol (aproximadamente la distancia Tierra-Sol mas o menos, dependiendo de la temperatura de la estrella), necesitamos la tecnología para resolver estas pequeñas separaciones.

Estas separaciones corresponden a los ángulos en el cielo de alrededor de 50 a 800 milisegundos de arco (para comparar, el disco de Plutón se extiende alrededor de 100 milisegundos de arco, los satélites de Júpiter miden aproximadamente 1 segundo de arco).

Los exoplanetas objetivos más brillantes son los que están más cerca de sus estrellas madre o son de mayor diámetro, ya que reflejan más luz. Por lo tanto, las civilizaciones más brillantes y más detectable en el censo van a vivir en planetas orbitando soles fríos que están cercanos. Nos gustaría apuntar a todas las estrellas conocidas dentro de 60 años luz de la Tierra que se encuentran en una fase de evolución similar al Sol (aquellas que se fusionan el hidrógeno en helio en sus núcleos).

Para poder hacer una medición de las señales de nuestros vecinos estelares se requiere un telescopio con dos cualidades importantes: debe ser grande para recoger suficientes fotones del planeta extranjero y poder detectar de forma fiable el calor de una civilización, y debe ser capaz de distinguir la señal óptica e infrarroja del planeta de su estrella. El telescopio también debe ser lo suficientemente sensible para distinguir entre la radiación térmica débil desde el planeta extrasolar y la que parte del ambiente cálido de la Tierra.

Hacer que la tecnología trabaje para esto

Una estrella madre podría ser alrededor de 100 millones de veces más brillante que un planeta dentro de su zona habitable; para distinguir el tenue resplandor de una civilización se requiere un sistema de telescopios y detectores que elimina el resplandor de la estrella para ver el planeta extrasolar en órbita. En teoría, un sistema de telescopio “perfecto” coloca toda la luz captada desde una estrella en una imagen puntual, pero esto no sucede en la práctica.

Una civilización usando el 1% de la energía de su estrella, podría detectarse como se ve en esta simulación.
Los observadores deben hacer frente al clima y medio ambiente de la  Tierra, cosa que puede desdibujar la radiación y crear lo que los astrónomos llaman el resplandor  "luz difusa", que trabaja en nuestra contra al ocultar los débiles exoplanetas. Para evitar este problema, utilizamos ópticas adaptativas especializadas y un instrumento (un coronógrafo) que elimina la dispersión de luz adicional (difracción).

Algunos grupos están construyendo sistemas de óptca adaptativa/corongrafo que se acercan a la ´sensibilidad necesaria  para detectar planetas extrasolares que son  la 100 millonésima parte del brillo de sus estrellas en el mismo campo de visión. Estos son el Sphere en el observatorio ESO en Chile y GPI conectado al telescopio Gemini, también en Chile.

El ángulo más pequeño que un telescopio puede resolver (llamado el "límite de difracción") disminuye a medida que el diámetro de su espejo  primario aumenta. Para resolver y distinguir un exoplaneta en una zona habitable de su estrella con un telescopio terrestre se requieren: una gran área colectora y un sistema de óptica adaptativa que llega al límite de difracción y a la vez que corrige el efecto borroso de la atmósfera de la Tierra. El volumen de espacio que podemos observar, y por lo tanto el número total de estrellas que podemos investigar, aumenta rápidamente con el diámetro del telescopio; esta relación sigue el diámetro al cubo. Por lo tanto, el tamaño del telescopio es fundamental para solucionar este problema.

Conocemos  la ubicación y la temperatura de la mayoría de las estrellas en 60 años luz del sol. Esto significa que podemos calcular con exactitud el número de civilizaciones potenciales que podríamos encontrar basados en el tamaño del telescopio, la resolución de un sistema de ópticas adaptativas, y el contraste del instrumento sensible a las longitudes de onda visibles e infrarrojos.

Que se necesita?

Como era de esperar, el número de exoplanetas observables en la zona habitable  aumenta rápidamente cuando se trata de un espejo más grande, un coronógrafo más sensible, y un diámetro más grande del planeta. Si queremos detectar al menos 100 planetas del tamaño o ligeramente más grandes que la Tierra, necesitaremos un telescopio de gran diámetro.

Los tres telescopios sensibles a los infrarrojos más grandes (el Giant Magellan Telescope, el Telescopio de Treinta Metros, y el TelescopioEuropeo Extremadamente Grande) podrían ser capaces de detectar 10 planetas en la zona habitable, y si los científicos están de suerte, tal vez una civilización extraterrestre  muy avanzada: pero debido a que no son lo suficientemente grandes ni diseñados para minimizar la luz dispersa, no van a realizar un buen censo.
Un coronógrafo. Tapando la Luz de la estrella central, es posible mejorar la calidad de la detección en  su cercanías, y poder ver los planetas a su alrededor. En este caso es la nave STEREO fotografiando nuestro Sol.
Un telescopio con un espejo primario de 77 metros de diámetro, sin embargo, podría encontrar cientos de planetas del tamaño adecuado, y tal vez decenas de civilizaciones  con un coronógrafo sensible - y la tecnología para construir tal instrumento ya existe.

Expandiendo nuestros horizontes

Sí: es un gran telescopio. ¿Podría un instrumento con un diámetro de espejo tan grande como un campo de fútbol realmente construirse? Este coloso tendría un área de recolección de luz y el orden de magnitud mayor que el Giant Magellan Telescope, el que es, actualmente el mayor telescopio a construirse.

Un grupo de físicos, ingenieros, constructores de telescopios, filántropos y empresarios han pasado los dos últimos años estudiando exactamente estas preguntas y concluyeron que la construcción de dicho telescopio es eminentemente factible, pero requerirá abandonar muchos de los supuestos y necesidades que los  investigadores han hecho para otros ámbitos.

Por ejemplo, el "Colossus", nombre que los científicos han puesto a este telescopio, no tiene un amplio campo de visión como la mayoría de los telescopios gigantes, sino que observa a pocos segundos de arco del cielo a la vez. Al disminuir el campo de visión, se puede construir un telescopio mucho más grande que el diseño actual a un costo menor. Este instrumento también usaría relativamente pocos elementos de espejo - cada uno con el área lo más grande posible-en lugar de cientos de pequeños segmentos (los fondos para construir Colossus y su ubicación son todavía no se conocen).

Una visión artística del Telescopio Colossus. tendría mas de 70 metros de diámetro, y la capacidad de encontrar civilizaciones ET hasta 60 años luz de distancia.
Debido a su estrecho campo de visión, Colossus no serviría para mirar, por ejemplo, las galaxias distantes aisladas. Además de ampliar nuestro conocimiento de los planetas extrasolares y civilizaciones, usaríamos este telescopio para temas de investigación, como el estudio de las superficies estelares, agujeros negros, quásares - objetos que aparecen más pequeños que 1 segundo de arco en el cielo.

Así, mientras que el telescopio que se requiere para la búsqueda de civilizaciones en otros mundos no existe, sin embargo, la tecnología si está disponible. Prevemos encontrar docenas de resultados sobre señales de vida a medida que ampliamos nuestro conocimiento del cosmos cercano. El Colossus nos daría una idea si la civilización es un desarrollo frágil o si es común. Y nos enteraríamos  de esto sin anunciarnos a nosotros mismos.

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