El observatorio espacial CHaracterising ExOPlanets Satellite (CHEOPS, por sus siglas en inglés/Satélite para la Caracterización de Exoplanetas en español) de la Agencia Espacial Europea (ESA), es la primera misión exoplanetaria europea.

Su objetivo es determinar el tamaño de los exoplanetas conocidos, lo que permitiría estimar su masa, densidad, composición y formación.

Este es el primer observatorio centrado en el análisis de tránsitos exoplanetarios utilizando fotometría de alta precisión, aplicadas a las estrellas más brillantes del cielo nocturno con planetas confirmados orbitando en torno a ellas, además, de la medición con un nivel de detalle sin precedentes de la densidad media de supertierras y minineptunos.

Sus observaciones permitirán establecer una relación entre la masa y radio de un planeta, y conocer cuál es el límite que separa a los cuerpos telúricos de los gigantes gaseosos.

El telescopio forma parte con la primera misión de clase pequeña del programa científico Cosmic Vision de la ESA.¹³

El proyecto fue seleccionado entre veintiséis candidatos el viernes 19 de octubre de 2012 y contará con un presupuesto de 50 millones de euros.¹⁴ Su lanzamiento estaba previsto para finales de 2017, pero por diversas circunstancias fue aplazado para ser enviado al espacio a finales de 2019 a bordo de un cohete Soyuz. Después de varios retrasos anunciados por Arianespace (comercializadora del lanzamiento), el lanzamiento fue previsto para el 17 de diciembre¹⁵⁵¹⁶ a las 9:54 horas (CET) desde el Puerto espacial europeo de Kourou, Guayana Francesa.

Tras ser pospuesto una vez más por problemas detectados en el cohete Soyuz durante una de las comprobaciones del software, a una hora y veinticinco minutos de su lanzamiento, y estando previsto su lanzamiento para veinticuatro horas después,¹⁷¹⁸¹⁹ el satélite despegó con éxito a las 08:54 horas (UTC) del día 18 de diciembre de 2019.²⁰²¹²²

Descripción

Como el Telescopio Espacial Kepler, CHEOPS observará tránsitos exoplanetarios, recopilando información cuando un cuerpo planetario pase frente a su estrella desde su perspectiva. Sin embargo, mientras que el Kepler contempla 150 000 estrellas en busca de nuevos planetas, el CHEOPS se centrará en cada una de forma individual y en exoplanetas ya conocidos.¹⁴ Podrá apuntar a prácticamente cualquier parte del cielo y utilizará fotometría de muy alta precisión para determinar el radio exacto de cuerpos planetarios de masa conocida, de entre 1 y 20 M_⊕.²³ De este modo, podrá identificar su estructura interna, aportar información relevante sobre su formación y perfilar los objetivos principales de la próxima generación de telescopios terrestres y orbitales.²⁴

CHEOPS será la primera de una serie de pequeñas misiones del Programa de Ciencia de la Agencia Espacial Europea, compuesta por satélites muy especializados y de rápido desarrollo que completarán las labores realizadas por proyectos de mayor tamaño.¹⁶ El 19 de octubre de 2012 fue seleccionada entre un total de veintiséis propuestas y fue incorporada al Programa de Ciencia dieciocho meses después, en febrero de 2014. La misión está siendo desarrollada en colaboración con la Universidad de Berna, la Oficina Espacial Suiza (SSO) y una división de la Secretaría de Estado Suiza de Educación, Investigación e Innovación (SERI). En total, once estados miembros de la ESA participan en el proyecto y cuentan con representación en el Programa de Ciencia de CHEOPS. El satélite será construido en España por Airbus Defence & Space.¹⁶

Características

Diagrama de un telescopio Ritchey-Chrétien.

El satélite tiene una estructura de base hexagonal y unas dimensiones aproximadas de 1,5 metros de largo, ancho y alto, basándose en la plataforma SeoSat.¹² Cuenta con un telescopio Ritchey-Chrétien de tamaño medio,²³ de 30 cm de apertura y 1,2 m de longitud, desarrollado por la Universidad de Berna.²⁵²⁶ montado en un banco óptico rígido.²⁷ El sensor CCD del CHEOPS operará en una longitud de onda visible, entre 400 y 1100 nm,²⁸ con una sensibilidad capaz de detectar un exoplaneta de un tamaño similar a la Tierra alrededor de una estrella de 0,9 M_☉ en una órbita de sesenta días.²³

Los paneles solares, ubicados sobre un escudo solar que protegerá la carcasa del radiador y el detector contra los rayos del Sol, proporcionarán un suministro continuo de 64 W con el que mantener sus operaciones y permitir la descarga de 1,2 Gb de datos diarios.²³ Además, dispondrá de una batería para almacenar el excedente de energía y mantener el telescopio en funcionamiento incluso durante las fases de eclipse.²⁹

CHEOPS efectuará sus observaciones a poca distancia de la superficie, entre 650 y 800 km de altitud, y permanecerá en una órbita heliosincrónica de 98º de inclinación.²³²⁵ La vida útil del proyecto es de tres años y medio,²⁵ y contará con un presupuesto de 50 millones de euros.¹⁶

Sistema de control de actitud y órbita (AOCS)

El sistema de control está estabilizado en 3 ejes, pero bloqueado en el nadir, asegurando que uno de los ejes de la nave espacial siempre apunte hacia la Tierra. Durante cada órbita, la nave girará lentamente alrededor de la línea de visión del telescopio para mantener el radiador del plano focal orientado hacia el espacio frío, permitiendo el enfriamiento pasivo del detector. La duración típica de observación será de 48 horas. Durante una observación típica de 48 horas, CHEOPS tendrá una estabilidad de puntería mejor que ocho segundos de arco con una confianza del 95%.¹²³⁰

Sistema de instrumentos CHEOPS (CIS)

El detector, la electrónica de soporte, el telescopio, la óptica de fondo, la computadora del instrumento y el hardware de regulación térmica se conocen agrupadamente como el Sistema de Instrumento CHEOPS (CHEOPS Instrument System (CIS)). La precisión fotométrica requerida se logrará utilizando un detector CCD retroiluminado de transferencia de fotogramas simple de Teledyne e2v con 1024 × 1024 píxeles y un paso de píxeles de 13 µm. El CCD está montado en el plano focal del telescopio y se enfría pasivamente a 233 K (−40 °C; −40 °F), con una estabilidad térmica de 10 mK.

Placas

Se han fijado dos placas de titanio con miles de dibujos miniaturizados de niños en CHEOPS. Cada placa mide casi 18cm × 24cm (7,1 pulgadas × 9,4 pulgadas). Las placas, preparadas por un equipo de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna, fueron presentadas en una ceremonia dedicada en RUAG el 27 de agosto de 2018.³¹

Objetivos

El principal objetivo de la misión CHEOPS es estudiar la estructura de exoplanetas menores que Saturno, con entre 1 y 20 M_⊕, pertenecientes a las estrellas más brillantes del cielo nocturno que cuentan con planetas confirmados a su alrededor. Una vez identificadas con exactitud la masa y el radio de una muestra significativa, será posible establecer restricciones estructurales para los exoplanetas, así como nuevas teorías sobre la formación y evolución de los cuerpos planetarios en ese rango de masas.³² El satélite centrará sus observaciones en exoplanetas confirmados por el método de velocidad radial, que los detecta por las oscilaciones que causan en sus estrellas como consecuencia de sus órbitas. Por tanto, el método infiere la masa de un planeta pero no sus dimensiones, que es el objetivo de la misión CHEOPS. Determinando su radio con precisión, se podrá estimar su composición y conocer si es terrestre o gaseoso mediante el cálculo de su densidad.³² Así, se establecerá con exactitud la relación entre masa y radio de los cuerpos planetarios con masas entre 1 y 20 M_⊕.³³

En el disco de acrecimiento de un planeta en fase de formación, el núcleo de este último debe alcanzar una masa crítica antes de disponer de una gravedad suficiente como para alcanzar una acreción descontrolada de gas que lo convierta en un gigante gaseoso. El potencial de un planeta para retener una gruesa atmósfera de hidrógeno u otros compuestos volátiles varía en función de numerosos factores, como su composición, la metalicidad de su estrella, la distancia respecto a esta o semieje mayor y, por supuesto, la propia masa del planeta.³³

Las investigaciones del equipo de Courtney Dressing —Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA)— partiendo de los datos del HARPS-N, indican que existe un límite natural de unos 1,6 R_⊕, por debajo del cual la mayoría de los planetas son cuerpos telúricos.³⁴³⁵ Además, sugieren que los planetas con masas inferiores a 6 M_⊕ tienen altas probabilidades de presentar una composición similar a la de la Tierra.³⁶ Las observaciones del CHEOPS, mucho más precisas, permitirán identificar con más detalle la relación masa-radio de los cuerpos planetarios y el grado en que otros factores, como la distancia entre el planeta y su estrella, pueden afectar a la densidad del objeto.³³

Sus observaciones serán de gran utilidad para futuros telescopios como el JWST y el ATLAST, que podrán efectuar análisis espectroscópicos de las atmósferas de los planetas en busca de indicios de vida extraterrestre.³⁷³⁸

Figura 1: Izq: Modelo informático de CHEOPS totalmente integrado (©ESA/ATF medialab). Derecha: CHEOPS en la sala limpia de Airbus Defence and Space en Madrid, en febrero de 2019 (© ESA – S. Corvaja).

Figura 2: Diagrama masa-radio de los planetas conocidos de menos de 10 masas terrestres y con una masa y un radio determinados con una precisión mejor que el 20%. Las barras de error indican la incertidumbre en las medidas. Las líneas de colores señalan las relaciones entre la masa y el radio para distintas composiciones posibles, desde una bola de hierro puro a un planeta totalmente compuesto por agua.

El satélite Cheops observa sus primeros exoplanetas

Avion Revue | 16 abril 2020

Cheops, la nueva misión exoplanetaria de la ESA, ha completado con éxito los casi tres meses de puesta en servicio en órbita, superando las expectativas en cuanto a rendimiento. El satélite, que comenzará las operaciones científicas rutinarias a finales de abril, ya ha efectuado observaciones prometedoras de estrellas que albergan exoplanetas, lo que augura un sinfín de apasionantes descubrimientos en el futuro.

Lanzado en diciembre de 2019, el Satélite para la Caracterización de Exoplanetas (Cheops) abrió su ojo al universo a finales de enero y poco después tomó las primeras imágenes, deliberadamente borrosas, de las estrellas. Este desenfoque intencionado es fundamental para la estrategia de observación de la misión, que mejora la precisión de las mediciones al dispersar la luz procedente de estrellas distantes a través de los numerosos píxeles de su detector.

La precisión es clave para la actual investigación exoplanetaria. Se sabe que hay más de cuatro mil planetas orbitando estrellas distintas del Sol. Un siguiente paso importantísimo es empezar a caracterizarlos para conocer su estructura, formación y evolución.

Caracterizar estos planetas midiendo de forma precisa sus tamaños (especialmente en el caso de los planetas más pequeños) es justamente el objetivo de Cheops. No obstante, antes de que se considerase listo para llevar a cabo esta tarea, el satélite, de 1,5 m de longitud, tenía que superar un gran número de pruebas.

Rendimiento excepcional

Con las primeras series de pruebas de vuelo, efectuadas entre enero y febrero, los expertos de la misión comenzaron a analizar la respuesta del satélite y, más concretamente, de su telescopio y su detector en el entorno espacial. Durante marzo, Cheops se centró en estrellas bien estudiadas.

Este acercamiento ha permitido a los equipos de la ESA, el consorcio de la misión y Airbus España, que es el contratista principal, verificar que el satélite es lo bastante preciso y estable como para cumplir sus ambiciosos objetivos.

El periodo de puesta en servicio ha demostrado que Cheops alcanza la precisión fotométrica necesaria y, aún más importante, que según las necesidades el satélite se puede gobernar desde el segmento de tierra para llevar a cabo las observaciones científicas.

La hora de los exoplanetas

Durante las últimas dos semanas de la fase de puesta en servicio en órbita, Cheops observó dos estrellas anfitrionas de exoplanetas mientras estos transitaban por delante de ellas y tapaban una fracción de su luz. La observación de tránsitos de exoplanetas conocidos es precisamente para lo que se diseñó la misión: para medir con una precisión y una exactitud sin precedentes el tamaño de los planetas y para determinar sus densidades combinando estos datos con la medida independiente de sus masas.

Uno de los objetivos fue HD 93396, una estrella subgigante amarilla situada a 320 años luz, algo más fría y tres veces mayor que nuestro Sol. Las observaciones se centraron en KELT-11b, un planeta gaseoso alrededor de un 30 % mayor que Júpiter, en una órbita mucho más cercana a la estrella de lo que Mercurio se halla del Sol.

La curva de luz de esta estrella muestra una fuerte caída causada por el tránsito de ocho horas de KELT-11b. A partir de esos datos, los científicos han determinado con gran precisión el diámetro del planeta: 181.600 km, con una incertidumbre de menos de 4.300 km.

El 25 de marzo tuvo lugar una revisión formal del rendimiento del satélite y las operaciones del segmento de tierra, que Cheops superó con nota. A continuación, la ESA cedió la responsabilidad de operar la misión al consorcio liderado por Willy Benz.

Por suerte, las actividades de puesta en servicio no se han visto afectadas demasiado por la emergencia causada por la pandemia de coronavirus, que ha hecho que se apliquen medidas de distanciamiento social y restricciones a los desplazamientos en toda Europa para evitar la propagación de la enfermedad.

En estos momentos, Cheops está pasando a la fase de operaciones científicas rutinarias, que se espera que comiencen a finales de abril. Los científicos han empezado a observar algunos de los “objetivos científicos tempranos”: una selección de estrellas y sistemas planetarios escogidos por constituir ejemplos paradigmáticos de lo que la misión puede lograr. Incluyen una “supertierra caliente” conocida como 55 Cancri e, cubierta de un océano de lava, y un “neptuno templado”, GJ 436b, que está perdiendo su atmósfera debido al resplandor de su estrella anfitriona. Otra estrella en la lista de próximas observaciones de Cheops es una enana blanca, primer objetivo del Programa de Observadores Invitados de la ESA, que ofrece a científicos más allá del consorcio de la misión la oportunidad de aprovechar la misión y capitalizar sus capacidades de observación.

Tipos de exoplanetas según su composición (ESA).

Al estar situado en el espacio, CHEOPS podrá realizar medidas fotométricas de alta precisión, lo que permitirá obtener curvas de luz de los tránsitos exoplanetarios con poco ruido. Esto servirá a su vez para determinar el tamaño del planeta con un error menor y, por ende, su densidad, un paso fundamental para caracterizar los distintos tipos de exoplanetas que existen. Dada su enorme sensibilidad, CHEOPS se centrará en los exoplanetas más pequeños, aquellos con tamaños comprendidos entre el de Neptuno y la Tierra, con especial énfasis en las supertierras. Estas medidas servirán para cribar los mejores candidatos que deben ser observados en el futuro con telescopios espaciales más complejos y caros, como por ejemplo el James Webb de la NASA o la nueva generación de supertelescopios terrestres.

Zona de observación de CHEOPS en la bóveda celeste (ESA).

Órbita de CHEOPS (ESA).

Detalles del telescopio (ESA).

Parte trasera de CHEOPS (ESA).

Países que participan en CHEOPS (ESA).

Fases del lanzamiento de CHEOPS (ESA).

Con CHEOPS comienza una nueva era en las misiones espaciales en la que, además de seguir descubriendo nuevos exoplanetas, comenzamos a caracterizarlos para comprender mejor sus características. Después de CHEOPS, la ESA está desarrollando la misión ARIEL con el fin de estudiar las atmósferas exoplanetarias en detalle durante la próxima década. Ahora solo queda esperar que durante los tres años y medio que durará su misión primaria —que se podrá prolongar si no hay problemas— CHEOPS recabe toda la información que pueda sobre los exoplanetas y nos ayude a clasificar mejor el fascinante zoológico exoplanetario y a resolver algunos misterios, como, por ejemplo, la línea divisoria entre minineptunos y supertierras.

Traslado a la rampa (Arianespace).

CHEOPS antes del lanzamiento (ESA).

Despegue (Arianespace).

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Archivo diario: 20 febrero, 2023

CHEOPS

CHEOPS (satélite)