Divulgación Proyecto “Terrascopio”, el telescopio que usaría como lente principal la atmósfera de la Tierra

[Alriga]

Una nueva “loca idea” (o no) de telescopio, usar la atmósfera de la Tierra como lente gigante principal del instrumento. El autor es David Kipping del Departamento de Astronomía de la Universidad de Columbia cuyo estudio ha sido aceptado para publicación en “Publications of the Astronomical Society of the Pacific”.

Muy resumido: El autor propone situar un telescopio de 1 metro de diámetro en órbita a una distancia “L” inferior al Radio de Hill; recordad que el Radio de Hill (RHill) es el límite de la influencia gravitatoria de la Tierra, si se supera esa distancia, la influencia gravitatoria principal pasa a ser la del Sol. El Radio de Hill para la Tierra es de 1 millón y medio de km, si se intenta situar un satélite en órbita en torno a la Tierra más lejos de esa distancia, acabará desviándose y orbitando alrededor del Sol.

El “terrascopio” usaría la refracción de la atmósfera. La luz visible provinente de un objeto lejano es refractada por la atmósfera terrestre en forma de cono y enfocada en el vértice situado una distancia un poco más cercano que la órbita de la Luna, lo cual es demasiado cerca de la Tierra. El Terrascopio se utilizaría en longitudes de onda largas, rojo/infrarrojo. En el estudio Kipping se analiza situar el “terrascopio” entre el L = RHill y L = RHill / 2

Ilustración de un detector de diámetro W utilizando la idea “terrascopio” Dos rayos de diferentes parámetros de impacto, pero de la misma longitud de onda, atraviesan la atmósfera e inciden en el detector. El anillo formado por estos dos rayos permite calcular la amplificación. En esta configuración, el detector está situado exactamente en el eje.

Con ello se utilizaría como lente las partes más altas de la atmósfera, que es en donde hay menos nubes y menor cantidad de vapor de agua que absorbe la luz infrarroja. Con el telescopio orbitando a 1 RHill, solo se usaría la luz que atraviesa la estratosfera, situada por encima de 13.7 kilómetros de altura. A esa altura las nubes son tan tenues que bloquean menos de un 10% de la luz provinente de la estrella a estudiar.

Según Kiping, la imagen del objeto sería en forma de anillo concentrada en ese punto y la amplificación de intensidad luminosa sería de 22500 para unas 20 horas de integración. Ello equivale a un telescopio con un objetivo de 150 metros de diámetro situado en la Tierra.

Es muy interesante el vídeo que ha publicado el autor del estudio David Kipping, la explicación del “terrascopio” en sí empieza en 15:00/29.51

Supongo que hay mil problemas a analizar/resolver:

* El telescopio colocado en su órbita sólo puede ver una región pequeña de cielo. Para ver otras regiones hay que esperar que esté en otro punto de la órbita, esperar que la Tierra gire el ángulo necesario alrededor del Sol, o incluso se necesitarían otros telescopios para otras zonas, lo que dispararía el coste del sistema.

* No será fácil reconstruir una imagen clara del objeto observado a partir de la luz recibida ya que habrá mucha luz no deseada en forma de ruido. El Sol y la Luna generarían reflejos y posiblemente habría que usar un satélite “ocultador de la Tierra” que debería volar sincronizado a cierta distancia por delante del telescopio para tapar el brillo de la Tierra.

* Turbulencia atmosférica, airglow y dispersiones en la atmósfera reducirían la calidad de las imágenes que se obtuvieran.

* Etc …

Los problemas supongo que será muchos más, pero me ha parecido que la idea era lo suficientemente interesante como para compartirla aquí con vosotros. El preprint del artículo, en el que figuran los cálculos y los detalles, se puede consultar en arxiv con el título The "Terrascope": On the Possibility of Using the Earth as an Atmospheric Lens

Saludos.

[Richard R Richard]

* El telescopio colocado en su órbita sólo puede ver una región pequeña de cielo. Para ver otras regiones hay que esperar que esté en otro punto de la órbita, esperar que la Tierra gire el ángulo necesario alrededor del Sol, o incluso se necesitarían otros telescopios para otras zonas, lo que dispararía el coste del sistema.

Entiendo de lo que expones, que solo se podra ver aquello que este cercano al plano de la eclíptica. También que no hay otros puntos con propiedades similares para colocar otros telescopios. Sobre el radio de Hill solo puede haber un telescopio que en todo momento siga esa órbita, es decir que la velocidad angular respecto al sol sea la misma que la de la tierra respecto del sol, y que la sumatoria de fuerzas gravitatorias del sol y tierra sea nula, define un sol punto para cada instante. Para mi siempre esta el telescopio en el punto de Langrange L1 del sistema Sol Tierra.

* No será fácil reconstruir una imagen clara del objeto observado a partir de la luz recibida ya que habrá mucha luz no deseada en forma de ruido. El Sol y la Luna generarían reflejos y posiblemente habría que usar un satélite “ocultador de la Tierra” que debería volar sincronizado a cierta distancia por delante del telescopio para tapar el brillo de la Tierra.

No se porque generaría reflejo el sol, siempre estaría a espaldas de la dirección observada. Si la Luna que cada día varia su posición, y puede transitar total o parcialmente, la dirección de observación.

Por otro lado porque un satélite ocultador, no sería suficiente con un coronógrafo?

* Turbulencia atmosférica, airglow y dispersiones en la atmósfera reducirían la calidad de las imágenes que se obtuvieran.

a tan altas alturas, hay presión de vapor de agua? , porque no hay nubes tan alto entonces.... se me vino eso a la mente, seguro habrá fundamento....

Gracias Por la info, muy curioso e ingenioso que pueda dar resultados, esperemos se concrete, mediante algún proyecto o misión


Otra preguntita al pasar ,la forma de la atmósfera es esférica o también es Geoide?..... es mas delgada en los polos o en el ecuador, eso si que influye en el proyecto, incluso la variación de la densidad de aire con la temperatura debería ser función con la latitud.... no creara aberraciones acaso?

has visto que se preocupan por las nubes de por debajo de los 14km, cuando lo útil sería la franja superior.

Por otro lado se que las ondas de radio rebotan en la ionosfera , pero esperan que los infrarrojos la atraviesen dos veces , entrando y saliendo...Incluso no se como filtrarian, la propia dispersión de infrarrojos de la misma ionosfera... Habrá que empaparse mucho mejor de lo que dice el paper.

[Alriga]

... Entiendo de lo que expones, que solo se podrá ver aquello que este cercano al plano de la eclíptica. También que no hay otros puntos con propiedades similares para colocar otros telescopios. Sobre el radio de Hill solo puede haber un telescopio que en todo momento siga esa órbita, es decir que la velocidad angular respecto al sol sea la misma que la de la tierra respecto del sol, y que la sumatoria de fuerzas gravitatorias del sol y tierra sea nula, define un sol punto para cada instante. Para mí siempre está el telescopio en el punto de Langrange L1 del sistema Sol Tierra ...

Richard, observa que aquí tienes un malentendido. El Radio de Hill en torno a la Tierra para el sistema Sol-Tierra es la distancia teórica máxima a la que un satélite puede orbitar la Tierra sin desviarse y acabar orbitando el Sol. El radio de Hill determina una Esfera de Hill completa en torno a la Tierra. Dentro de esa esfera, teóricamente puedes colocar un satélite en órbita cerrada estable con cualquier inclinación respecto de la eclíptica y cualquier excentricidad mientras el apogeo del satélite sea inferior al radio de Hill.

En la Esfera de Hill existen 2 puntos singulares, los de intersección de la esfera con la recta Sol-Tierra, que son los puntos de Lagrange L1 y L2 del sistema. Pero observa que el estudio de Kipping no nombra para nada los puntos de Lagrange y en ningún momento dice que haya que poner el telescopio en uno de ellos. El abstract dice:

...La luz de las estrellas que pasa a través de la atmósfera de la Tierra es refractada por un ángulo de poco más de un grado cerca de la superficie. Esto enfoca la luz en una línea focal que comienza en un límite interno (y cromático) y se prolonga hasta el infinito, ofreciendo una oportunidad de manifestarse como lente. Se muestra aquí que la línea focal comienza en ∼85% de la separación Tierra-Luna, y por lo tanto colocar un detector en órbita entre ahí y 1 Radio de Hill podría explotar esa lente refractora...

Claro, no más cerca de 85% T-L porque no se vería nada y no más lejos de RHill porque el satélite no tendría órbita estable alrededor de la Tierra. Dentro del paper verás análisis y gráficos para ubicaciones del telescopio en órbitas L = RHill y órbitas L= RHill / 2 como he comentado en el primer post del hilo:

El Terrascopio se utilizaría en longitudes de onda largas, rojo/infrarrojo. En el estudio Kipping se analiza situar el “terrascopio” entre L = RHill y L = RHill / 2

Entiendo que este paper de Kipping es básicamente un sencillo análisis geométrico/óptico preliminar del problema y que en esta primera aproximación no tiene en cuenta para nada la dinámica satelital. Se me ocurre que es posible que un análisis más profundo del tema tal vez (¿?) aconsejase colocar el telescopio en una Órbita de Halo en torno a Lagrange L1 Sol-Tierra.

Saludos.

[Richard R Richard]

Ya situarlo en L1 ofrece un fondo completamente variable y en movimiento, cualquier serie de tomas apiladas para resaltar intensidad estaría apuntando a un fondo distinto, si tiene velocidad relativa respecto de tierra el efecto se acentúa... Eso es lo extraño, incluso ninguna órbita de halo, ofrece fondo estático...Es decir como pueden hacer un seguimiento, en Tierra se hace con motorreductores y en el espacio el Hubble domina la posición de la lente continuamente con giroscopios, pero aquí se tiene que dominar la trayectoria( gastando combustible intuyo), eso es lo me llama la atención, para conocer como se libraran de esos inconvenientes.
Como idea es extraordinaria, hay que como se puede poner en práctica.