Cómo los astrónomos usaron asteroides para medir estrellas

Los astrónomos han utilizado un método único y una extraordinaria variedad de telescopios para revelar los diámetros de estrellas distantes.

Una vista de cerca de uno de los telescopios en la matriz VERITAS.
NSF / VERITAS

Es sorprendente la cantidad de información que puede extraer de unos pocos fotones. Durante décadas, los astrónomos han observado asteroides mientras bloqueaban las estrellas detrás de ellos, estas ocultaciones revelaron la forma y el tamaño de los asteroides a medida que sus "sombras" se extendían por la Tierra. Ahora, los astrónomos están utilizando ocultaciones de asteroides para revelar el tamaño de las estrellas.

Los astrónomos utilizaron el Sistema de matriz de telescopio de imágenes de radiación muy enérgico (VERITAS), ubicado en el Observatorio Fred Lawrence Whipple en Arizona, para hacer exactamente eso, publicando los resultados en Nature Astronomy . VERITAS es un grupo de cuatro telescopios de 12 metros, cada uno compuesto por 350 segmentos de espejo hexagonal. Están configurados para observar los tenues destellos azules de la radiación de Cherenkov, producidos cuando las partículas cargadas de energía chocan contra la atmósfera de la Tierra. Pero Wystan Benbow (Centro de Astrofísica, Harvard y Smithsonian) y sus colegas volvieron los telescopios hacia sombras de asteroides.

Primero, el asteroide 1165 Imprinetta pasó frente a una estrella designada TYC 5517-227-1. En esta observación de prueba de principio, los astrónomos usaron VERITAS para tomar 300 imágenes por segundo, fijando la estrella a 11 veces el ancho del Sol. Luego, unos meses más tarde, 201 Penélope pasó frente a otra estrella, TYC 278-748-1. Esta vez, VERITAS capturó 2.500 imágenes por segundo cuando la sombra pasó sobre la Tierra, lo que le permitió medir una estrella aún más pequeña de solo el doble del diámetro del Sol.

Los cuatro telescopios en la matriz VERITAS.
NSF / VERITAS

Aunque los espejos del conjunto VERITAS son toscos para los estándares astronómicos, fue la increíble resolución de tiempo de los telescopios lo que permitió medir los diámetros de las estrellas. "Los telescopios VERITAS son muy grandes, y eso es muy importante para tomar mediciones precisas con frecuencias de muestreo muy rápidas", dice Tarek Hassan (DESY, Alemania). Los detectores grandes como los telescopios VERITAS tampoco ven tanto ruido de centelleo, el "centelleo" causado por movimientos turbulentos en la atmósfera de la Tierra.

Concepción artística de la ocultación de una estrella por un asteroide.
DESY / Lucid Berlin

Para medir el tamaño de una estrella oculta, los astrónomos primero necesitan capturar las delicadas "franjas" del patrón de difracción a lo largo del borde de la sombra que proyecta. Estas franjas son donde las ondas de luz se fusionan para aumentar o cancelar alternativamente la señal. (De hecho, cada sombra tiene franjas de difracción en sus bordes, pero para los objetos con los que interactuamos diariamente en longitudes de onda visibles, estas franjas son imperceptibles).

Cuando un asteroide pasa frente a una estrella, el asteroide en sí es invisible, pero un observador verá que la estrella que está bloqueando parpadea brevemente. Gracias a las franjas de difracción a lo largo del borde de la sombra del asteroide, el brillo de la estrella variará de manera predecible justo antes y después de que la sombra se extienda por la Tierra. Al comparar las franjas alrededor de una estrella oculta con las de una fuente puntual verdadera, los astrónomos deducen el diámetro de la estrella.

Los asteroides y las estrellas

El asteroide Imprinetta, de 60 km de ancho, pasó frente a la primera estrella, el gigante rojo de 10, 2 grados TYC 5517-227-1 en la constelación Crater, la Copa, el 22 de febrero de 2018. Las observaciones revelaron que la estrella tenía un tamaño aparente de 0.125 miliar segundos. (Como referencia, eso es más de 1, 000 veces mejor de lo que el telescopio espacial Hubble puede resolver). Dada la distancia de la estrella de 2, 674 años luz, su pequeño tamaño angular equivale a una circunferencia 11 veces mayor que la del Sol. Es la estrella más distante hasta la fecha con una medición precisa de su tamaño angular.

Gráficos del evento 1165 Imprinetta con intensidad versus tiempo, que muestran los datos recopilados durante la entrada (izquierda) y la salida (derecha).
Benbow y cols.

Una segunda oportunidad para el equipo llegó el 22 de mayo de 2018, cuando el asteroide Penelope de 88 km barrió frente a la estrella de magnitud 9.9 TYC 278-748-1 en la constelación de Virgo. Las mediciones de ocultación revelaron que la estrella, a 700 años luz de distancia, tenía un diámetro un poco más del doble del Sol.

Capturando ocultaciones

Las ocultaciones no son fáciles de predecir u observar. El primer intento de observación de una ocultación de asteroides fue el 19 de febrero de 1958, cuando se predijo que 3 Juno pasaría frente a una estrella. Las observaciones de este evento, sin embargo, más tarde demostraron ser un falso positivo. La primera captura exitosa de una ocultación estelar de asteroides fue por el asteroide 2 Pallas el 2 de octubre de 1961. Solo se observaron algunos de estos eventos hasta la década de 1980. Hoy, el sitio de Steve Preston enumera docenas de tales eventos que ocurren en todo el mundo, cada mes.

"La técnica [de ocultación] en sí misma no es realmente nueva", señala Hassan. "Lo nuevo es que ahora tenemos un mejor conocimiento de la ubicación y la velocidad de muchos objetos del sistema solar tan lejos ... y gracias a Gaia y otras misiones tenemos un conocimiento sin precedentes de la ubicación exacta de las estrellas en el cielo".

Los astrónomos también han usado un método de difracción durante las ocultaciones lunares, pero solo funciona para diámetros estelares de hasta 1 miliar segundo. Solo 17 estrellas tienen un diámetro angular resuelto mayor que este, y de ellas, solo Antares se encuentra a lo largo del camino actual de la Luna. Las ocultaciones de Antares son rápidas, como lo vimos desde nuestro patio trasero en Florida en 2009:

Debido a que los asteroides están mucho más lejos de la Tierra que la Luna, los astrónomos pueden usarlos para medir estrellas mucho más pequeñas, explica Daniel. "Esta es la razón por la cual nuestras mediciones de ocultación de asteroides pudieron medir las estrellas de menor tamaño angular medidas hasta ahora".

Aun así, el uso de ocultaciones para medir el tamaño de las estrellas sigue siendo un asunto arriesgado debido a la incertidumbre en las órbitas de los asteroides, y si el camino predicho cambia, mala suerte, porque los telescopios grandes no son terriblemente portátiles. La sombra del asteroide Imprinetta, por ejemplo, tenía una probabilidad del 50% de cruzarse sobre la matriz VERITAS, y la sombra de Penélope tenía una probabilidad aún menor del 29%. Sin embargo, según los investigadores, cualquier telescopio capaz de observar una estrella de décima magnitud vería alrededor de cinco ocultaciones por año.

Este método también podría aplicarse utilizando la próxima generación de megatelescopios: el Telescopio Gigante de Magallanes, por ejemplo, podría alcanzar estrellas mucho más débiles, y el Telescopio de prospección sinóptica grande capturaría imágenes rápidas. Ambos telescopios están listos para ver la primera luz a principios de la próxima década.