Durante milenios, la humanidad ha observado las fases cambiantes de la Luna. La salida y la caída de la luz solar reflejada en la Luna, a medida que nos presenta sus diferentes caras, se conoce como una "curva de fase". Medición de las curvas de fase de la Lunay planetas del Sistema Solar es una antigua rama de la astronomía que se remonta al menos a un siglo. Las formas de estas curvas de fase codifican información sobre las superficies y atmósferas de estos cuerpos celestes. En los tiempos modernos, los astrónomos han medido las curvas de fase de exoplanetas utilizando el espaciotelescopios como Hubble, Spitzer, TESS y CHEOPS. Estas observaciones se comparan con predicciones teóricas. Para ello, se necesita una forma de calcular estas curvas de fase. Implica buscar una solución a un difícil problema matemático relacionado con la física de la radiación.
Los enfoques para el cálculo de curvas de fase existen desde el siglo XVIII. La más antigua de estas soluciones se remonta al matemático, físico y astrónomo suizo Johann Heinrich Lambert, quien vivió en el siglo XVIII. La "ley de la reflexión de Lambert" esEl astrónomo estadounidense Henry Norris Russell planteó el problema del cálculo de la luz reflejada de los planetas del Sistema Solar en un influyente artículo de 1916. Otra conocida solución de 1981 se atribuye al científico lunar estadounidense Bruce Hapke, que se basó en el clásicoobra del premio Nobel indio-estadounidense Subrahmanyan Chandrasekhar en 1960. Hapke fue pionero en el estudio de la Luna utilizando soluciones matemáticas de curvas de fase. El físico soviético Viktor Sobolev también hizo importantes contribuciones al estudio de la luz reflejada de los cuerpos celestes en su influyente libro de texto de 1975Inspirado por el trabajo de estos científicos, el astrofísico teórico Kevin Heng del Center for Space and HabitabilLa CSH de la Universidad de Berna ha descubierto toda una familia de nuevas soluciones matemáticas para calcular curvas de fase.El artículo, escrito por Kevin Heng en colaboración con Brett Morris del Centro Nacional de Competencia en Investigación NCCR PlanetS - que la Universidad de Berna gestiona junto con la Universidad de Ginebra - y Daniel Kitzmann de la CSH, acaba de ser publicado en Astronomía de la naturaleza .
Soluciones de aplicación general
"Tuve la suerte de que estos grandes científicos ya habían realizado este rico cuerpo de trabajo. Hapke había descubierto una forma más sencilla de escribir la solución clásica de Chandrasekhar, quien resolvió la famosa ecuación de transferencia radiativa para la dispersión isotrópica. Sobolev se había dado cuenta deque uno puede estudiar el problema en al menos dos sistemas de coordenadas matemáticos ". Sara Seager llamó la atención de Heng sobre el problema mediante su resumen en su libro de texto de 2010.
Al combinar estos conocimientos, Heng pudo escribir soluciones matemáticas para la fuerza de la reflexión el albedo y la forma de la curva de fase, ambas completamente en papel y sin recurrir a una computadora. "El aspecto innovador deestas soluciones es que son válidas para cualquier ley de reflexión, lo que significa que pueden usarse de formas muy generales. El momento decisivo llegó para mí cuando comparé estos cálculos en lápiz y papel con lo que otros investigadores habían hecho usando cálculos por computadora.Me quedé impresionado por lo bien que coincidieron ", dijo Heng.
Análisis exitoso de la curva de fase de Júpiter
"Lo que me emociona no es solo el descubrimiento de una nueva teoría, sino también sus principales implicaciones para la interpretación de datos", dice Heng. Por ejemplo, la nave espacial Cassini midió las curvas de fase de Júpiter a principios de la década de 2000, sino un análisis en profundidadde los datos no se había hecho previamente, probablemente porque los cálculos eran demasiado costosos computacionalmente. Con esta nueva familia de soluciones, Heng pudo analizar las curvas de fase de Cassini e inferir que la atmósfera de Júpiter está llena de nubes formadas por grandes,partículas irregulares de diferentes tamaños. Este estudio paralelo acaba de ser publicado por Cartas de revistas astrofísicas, en colaboración con el experto en datos de Cassini y el científico planetario Liming Li de la Universidad de Houston en Texas, EE. UU.
Nuevas posibilidades para el análisis de datos de telescopios espaciales
"La capacidad de escribir soluciones matemáticas para las curvas de fase de la luz reflejada en papel significa que uno puede usarlas para analizar datos en segundos", dijo Heng. Abre nuevas formas de interpretar datos que antes eran inviables. Heng está colaborandocon Pierre Auclair-Desrotour anteriormente CSH, actualmente en el Observatorio de París para generalizar aún más estas soluciones matemáticas. "Pierre Auclair-Desrotour es un matemático aplicado con más talento que yo, y prometemos resultados emocionantes en el futuro cercano", dijo Heng.
en el Astronomía de la naturaleza artículo, Heng y sus coautores demostraron una forma novedosa de analizar la curva de fase del exoplaneta Kepler-7b desde el telescopio espacial Kepler. Brett Morris dirigió la parte de análisis de datos del artículo ". Brett Morris lidera el análisis de datos parala misión CHEOPS en mi grupo de investigación, y su enfoque moderno de ciencia de datos fue fundamental para aplicar con éxito las soluciones matemáticas a datos reales ", explicó Heng. Actualmente están colaborando con científicos del telescopio espacial TESS liderado por Estados Unidos para analizar datos de curva de fase TESS. Heng prevé que estas nuevas soluciones conducirán a formas novedosas de analizar los datos de la curva de fase del próximo telescopio espacial James Webb de 10.000 millones de dólares, que se lanzará más adelante en 2021. "Lo que más me emociona es que estoslas soluciones matemáticas seguirán siendo válidas mucho después de que yo me haya ido, y probablemente se incorporarán a los libros de texto estándar ", dijo Heng.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Berna . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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