SPHERE (acrónimo del inglés Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) es un instrumento astronómico de alto contraste instalado en la Unidad de Telescopio 3 (UT3, Melipal) del Very Large Telescope (VLT), situado en el Observatorio Paranal, en Chile. Desarrollado por un consorcio internacional en colaboración con el Observatorio Europeo Austral (ESO), fue diseñado principalmente para la detección y caracterización directa de exoplanetas, enanas marrones y discos circunestelares mediante técnicas avanzadas de óptica adaptativa extrema, coronografía e imagen de alto contraste.
El instrumento obtuvo su primera luz el 4 de mayo de 2014 y comenzó sus operaciones científicas ese mismo año. SPHERE incorpora el sistema de óptica adaptativa extrema SAXO, junto con tres instrumentos científicos: el espectrógrafo de campo integral (IFS), la cámara y espectrógrafo infrarrojo de doble banda (IRDIS) y el polarímetro de alta precisión ZIMPOL, que permiten obtener imágenes y espectros de objetos muy débiles situados en las proximidades de estrellas brillantes.
Historia y desarrollo
El desarrollo de SPHERE comenzó a principios de la década de 2000 como respuesta a la necesidad de obtener imágenes directas de exoplanetas y estudiar con mayor detalle discos protoplanetarios y de escombros alrededor de estrellas cercanas. El proyecto fue llevado a cabo por un consorcio internacional de institutos de investigación y universidades europeas, bajo el liderazgo del Instituto de Planetología y Astrofísica de Grenoble (IPAG) y en colaboración con el Observatorio Europeo Austral (ESO), responsable de su integración en el Very Large Telescope.
Tras varios años de diseño, fabricación y pruebas de laboratorio, el instrumento fue instalado en la Unidad de Telescopio 3 (UT3, Melipal) del Very Large Telescope, en el Observatorio Paranal, en el desierto de Atacama (Chile). La primera luz del instrumento se obtuvo el 4 de mayo de 2014, demostrando que cumplía con las prestaciones previstas para la obtención de imágenes de alto contraste.
Después de completar la fase de verificación científica, SPHERE comenzó sus operaciones regulares en el segundo semestre de 2014 y pasó a formar parte de la oferta de instrumentos del Very Large Telescope para la comunidad astronómica internacional. Desde entonces ha participado en numerosos programas de observación dedicados a la búsqueda y caracterización de exoplanetas, la investigación de discos circunestelares y el estudio de la formación de sistemas planetarios, convirtiéndose en uno de los instrumentos de imagen directa de exoplanetas más avanzados del mundo.
Diseño y componentes
SPHERE fue diseñado como un instrumento modular destinado a obtener imágenes de alto contraste mediante la combinación de óptica adaptativa extrema, coronografía y técnicas avanzadas de procesamiento de imágenes. Su arquitectura permite detectar objetos muy débiles situados en las proximidades de estrellas brillantes, donde el intenso resplandor estelar dificulta las observaciones convencionales.
El sistema de óptica adaptativa extrema, denominado SAXO (SPHERE Adaptive Optics for eXoplanet Observation), corrige en tiempo real las perturbaciones producidas por la turbulencia atmosférica mediante un espejo deformable con cientos de actuadores, un sensor de frente de onda y un sistema de control de alta velocidad. Gracias a este sistema es posible alcanzar una calidad de imagen cercana al límite de difracción del telescopio.
Para reducir el brillo de la estrella observada, SPHERE dispone de diversos coronógrafos que bloquean la mayor parte de su luz, permitiendo detectar fuentes mucho más tenues situadas a pequeñas separaciones angulares. La combinación de los coronógrafos con algoritmos de imagen diferencial incrementa significativamente el contraste alcanzable durante las observaciones.
El instrumento incorpora tres subsistemas científicos principales. El espectrógrafo de campo integral (IFS) obtiene imágenes espectroscópicas en el infrarrojo cercano, permitiendo analizar simultáneamente la posición y el espectro de los objetos observados. El instrumento IRDIS (Infra-Red Dual-band Imager and Spectrograph) proporciona imágenes y espectros en doble banda del infrarrojo cercano, mientras que ZIMPOL (Zurich Imaging Polarimeter) realiza observaciones polarimétricas de alta precisión en el rango visible, especialmente útiles para el estudio de discos circunestelares y superficies estelares.
La combinación de estos sistemas permite adaptar las observaciones a distintos objetivos científicos, desde la detección directa de exoplanetas gigantes hasta el análisis detallado de discos protoplanetarios, discos de escombros y otros objetos de alto contraste.
Funcionamiento
SPHERE está diseñado para obtener imágenes directas de objetos muy tenues situados en las inmediaciones de estrellas brillantes. Para ello combina un sistema de óptica adaptativa extrema que corrige las distorsiones introducidas por la atmósfera terrestre con coronógrafos que atenúan la luz de la estrella observada, aumentando el contraste y facilitando la detección de exoplanetas y otras estructuras circunestelares.
miniaturadeimagen|350px|Diagrama de la infraestructura del instrumento SPHERE en el VLT.
Durante una observación, la luz procedente del telescopio es corregida en tiempo real por el sistema SAXO antes de ser dirigida a uno de los instrumentos científicos. Dependiendo de los objetivos del programa de observación, la radiación puede enviarse al espectrógrafo de campo integral (IFS), al instrumento IRDIS o al polarímetro ZIMPOL, que proporcionan información espectroscópica, fotométrica o polarimétrica del objeto estudiado.
Además del hardware especializado, SPHERE emplea diversas técnicas de imagen diferencial para reducir aún más la luz residual de la estrella y eliminar artefactos producidos por el sistema óptico y la atmósfera. Entre ellas se encuentran la imagen diferencial angular (ADI), la imagen diferencial espectral (SDI) y la imagen diferencial polarimétrica (PDI), ampliamente utilizadas para mejorar la detección de exoplanetas y el estudio de discos circunestelares.
La combinación de estas técnicas permite alcanzar contrastes de varios millones a pequeñas separaciones angulares respecto de la estrella anfitriona, lo que convierte a SPHERE en uno de los instrumentos más sensibles del mundo para la obtención de imágenes directas de exoplanetas jóvenes y el estudio de los procesos de formación planetaria.
Descubrimientos y contribuciones científicas
Desde el inicio de sus operaciones científicas en 2014, SPHERE ha contribuido al descubrimiento y la caracterización de numerosos exoplanetas, discos protoplanetarios y discos de escombros alrededor de estrellas cercanas. Sus capacidades de imagen directa han permitido estudiar objetos cuya detección resulta difícil mediante otros métodos, proporcionando información sobre sus atmósferas, órbitas y procesos de formación.
miniaturadeimagen|250px|Imagen de TWA 7 b, uno de los exoplanetas en los que SPHERE contribuyó en su detección.
Entre los descubrimientos más destacados realizados con SPHERE se encuentra la obtención de imágenes del exoplaneta HIP 65426 b, uno de los primeros planetas gigantes detectados mediante imagen directa alrededor de una estrella de tipo A. El instrumento también desempeñó un papel importante en la detección de TWA 7 b, un exoplaneta de masa similar a la de Saturno observado dentro del disco de escombros que rodea a la estrella TWA 7, constituyendo uno de los planetas menos masivos obtenidos mediante imagen directa hasta la fecha.
Además de la búsqueda de exoplanetas, SPHERE ha permitido obtener imágenes de alta resolución de discos protoplanetarios con anillos, huecos, brazos espirales y otras estructuras relacionadas con la formación de sistemas planetarios. Estas observaciones han aportado evidencias sobre la interacción entre los discos y los planetas en formación, contribuyendo a comprender la evolución temprana de los sistemas planetarios.
Las observaciones realizadas con SPHERE también han sido fundamentales para el estudio de enanas marrones, estrellas jóvenes y objetos subestelares, así como para la caracterización de atmósferas planetarias mediante espectroscopía e imagen multibanda. Gracias a estas contribuciones, el instrumento continúa siendo una de las principales herramientas para la investigación de exoplanetas y discos circunestelares desde observatorios terrestres.
Legado e impacto científico
Desde el inicio de sus operaciones científicas, SPHERE se ha consolidado como uno de los instrumentos de imagen directa de exoplanetas más avanzados desarrollados para un telescopio terrestre. Sus capacidades de alto contraste han permitido ampliar el conocimiento sobre la formación y evolución de sistemas planetarios, así como estudiar con un nivel de detalle sin precedentes la estructura de discos protoplanetarios y de escombros alrededor de estrellas cercanas.
miniaturadeimagen|250px|Imagen directa de HIP 65426 b, una de las primeras imágenes de exoplanetas tomadas por el instrumento SPHERE.
Las observaciones realizadas con SPHERE han contribuido al descubrimiento de nuevos exoplanetas, a la caracterización de atmósferas planetarias y al análisis de objetos subestelares, proporcionando datos utilizados en numerosos estudios sobre la evolución de sistemas planetarios jóvenes. Asimismo, el instrumento ha permitido poner a prueba modelos teóricos sobre la interacción entre planetas en formación y los discos de gas y polvo que los rodean, aportando nuevas evidencias observacionales sobre estos procesos.
La experiencia obtenida durante el desarrollo y la explotación científica de SPHERE también ha favorecido el perfeccionamiento de tecnologías de óptica adaptativa extrema, coronografía e imagen diferencial, que continúan empleándose como referencia para el diseño de instrumentos de nueva generación destinados a la observación de exoplanetas.
Gracias a su elevado rendimiento científico y a su continua participación en programas internacionales de observación, SPHERE sigue siendo una de las herramientas más importantes del Very Large Telescope para el estudio de exoplanetas, discos circunestelares y otros objetos astronómicos de alto contraste.
Referencias
Categoría:Instrumentos astronómicos Categoría:Instrumentos científicos Categoría:Astronomía observacional Categoría:Introducciones de 2014