Detectan fulguraciones estelares extrasolares utilizando el sistema GPS

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Imagen de una fulguración solar capturada por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA en 2017. Créditos: NASA / SDO / Goddard.

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Huella en el ritmo de variación del nivel de ionización de la parte alta de la atmósfera (ionosfera) en la vertical de la estrella Proxima Centauri, probablemente debida a una gran fulguración que mostró el 18 de marzo de 2016 (medido con datos GPS en dos frecuencias)

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David Moreno-Borràs, 'alumni' de la Facultad de Informática de Barcelona, y Manuel Hernández-Pajares, investigador del Departamento de Matemáticas de la UPC

Manuel Hernández-Pajares, investigador del Departamento de Matemáticas de la UPC, y David Moreno-Borràs, 'alumni' de la Facultad de Informática de Barcelona (FIB), han desarrollado un sistema que permite detectar fulguraciones estelares –aumentos súbitos de la radiación de las estrellas– utilizando las señales que emiten los sistemas de navegación por satélite, popularmente conocidos como GPS.

30/06/2021

“La manera más sencilla de explicar lo que hemos hecho es compararlo con las sombras chinas: en lugar de observar directamente el fenómeno, lo que hacemos es mirar la sombra, la huella que deja en la atmósfera la fluctuación súbita de una parte de la radiación estelar. Y esto lo hacemos utilizando los sistemas de navegación por satélite, lo que conocemos como GPS.” Así introduce Manuel Hernández-Pajares , investigador del Departamento de Matemáticas de la UPC y responsable del grupo de investigación de determinació Ionosfèrica i navegació per SAtèl·lit i sistemes Terrestres (IonSAT), el método que ha desarrollado, en colaboración con David Moreno-Borràs, graduado en Ingeniería Informática de la Facultad de Informática de Barcelona (FIB) y ahora investigador del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Este método permite la detección de fulguraciones estelares extrasolares utilizando solo medidas globales del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). La técnica ha sido descrita en el artículo ‘Real-time detection, location and measuremente of geoeffective stellar flares from Global Navigation Satellite System data: new technique and case studies’, publicado en la revista científica ‘Space Weather’ del American Geophysical Union.

Las fulguraciones estelares (flares) son un aumento súbito de la radiación de las estrellas: emisiones electromagnéticas súbitas en determinadas zonas de la superficie de las estrellas que desprenden grandes cantidades de energía. Generan, así, una descarga de iones: una sobreionización súbita de la parte alta de la atmósfera terrestre (ionosfera). Hasta ahora se detectaban a través de sondas espaciales como el SOHO (Solar and Heliosferic Observatory) –una misión conjunta de la ESA y la NASA para estudiar el Sol, y que contiene un telescopio específico que permite detectar las fulguraciones del Sol a partir del aumento del flujo de fotones–, o por telescopios como el Swift o el Fermi, para fulguraciones estelares extrasolares. Con estos instrumentos, tal y como explica el investigador vinculado a la Escuela de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona (ETSETB) y miembro del IEEC, “lo que se hace es observar directamente el fenómeno.”

Medir el aumento de flujos solares como si fueran sombras chinas
El método desarrollado por los investigadores de la UPC implica “mirar la huella que genera estas fulguraciones estelares en la parte alta de la atmósfera terrestre, la llamada ionosfera”, como si mirásemos una representación del popular teatro chino de sombras.

Los Sistemas de Navegación Global por Satélite (GNSS) funcionan gracias a más de 24 satélites por constelación (GPS, GLONASS, Galileo y Beidou) que orbitan alrededor de la Tierra: cada satélite emite señales en forma de ondas electromagnéticas, parecidas a las que usan los teléfonos móviles. Esta onda es recogida en un receptor de GPS, que calcula el tiempo que aparentemente tardan las señales en viajar desde los satélites, convirtiéndolo en pseudodistancia (el observable básico GNSS) en multiplicarlo por la velocidad de la luz en el vacío.  

Cuando se produce una fulguración solar, esta genera súbitamente electrones libres adicionales a la ionosfera, a 100 – 1.000 kilómetros de altura. Las ondas electromagnéticas que emiten los satélites GNSS hacen “bailar” los electrones libres: esto hace que estos emitan una señal electromagnética muy similar, que se superpone a la señal original y hace cambiar la velocidad de propagación y genera, así, un error en la pseudodistancia. Por eso, los satélites GNSS emiten una segunda señal que, combinada con la primera, permite eliminar el efecto de la sobreionización y el error que genera. Precisamente, este sistema que elimina el margen de error que causa la ionosfera también permite aislar el efecto de fulguraciones estelares muy intensas y, por lo tanto, detectarlas. El sistema GNSS se convierte, así, en un sistema de detección y localización de fulguraciones estelares.

Primera prueba: en 2012, con el Sol
Este hallazgo ha sido posible gracias al refinamiento de la técnica desarrollada previamente por el investigador Hernández-Pajares para detectar y medir fulguraciones solares de intensidad alta, media y débil. Una técnica que está implementada actualmente, y en tiempo real, en un proyecto de la Agencia Espacial Europea (ESA, en sus siglas en inglés) del programa Space Situation Awareness. El algoritmo desarrollado, que los autores llaman Blind GNSS search of Extraterrestrial EUV Sources (BGEES), se ha verificado con dos fulguraciones estelares más lejanas y, por tanto, más difíciles de detectar: la Proxima Centauri (detectada el 18 de marzo de 2016) y la NGTS J121939.5-355557 (localizada el 1 de febrero de 2016). Las estimaciones obtenidas con el algoritmo BGEES han sido contrastadas con las de los estudios con técnicas astronómicas convencionales que han analizado ambas fulguraciones estelares.

“Es, muy probablemente, la primera detección reportada de fulguraciones estelares extrasolares con GPS”, explica el investigador. La técnica permite no solo la detección y medida de la intensidad de las fulguraciones, sino también la estimación aproximada de la posición de la fuente extrasolar en la esfera celeste con un error mínimo, de hasta pocos grados. Esta técnica abre la puerta a un nuevo tipo de astronomía para la detección y estudio de este tipo de fenómenos: un nuevo método utilizando datos a tiempo real, gratuitos y libres gracias a los receptores GNSS distribuidos por todo el mundo.

Un paso más allá: identificar la habitabilidad de exoplanetas
Los investigadores comenzarán, a partir del mes de junio, un nuevo proyecto financiado por la ESA para confirmar la nueva técnica y determinar si un futuro sistema asociado podría abrir un nuevo campo de exploración de las medidas de la actividad estelar, con potenciales aplicaciones, como estimar la habitabilidad de los exoplanetas, entre otros. “Precisamente, esta fuente de energía que detectamos indirectamente con el GPS (el incremento súbito del flujo de fotones en banda EUV) es uno de los elementos clave para poder determinar si estos exoplanetas están en una zona habitable”, explica el investigador, “y esto ha despertado también el interés de la ESA”.

Desde el mes de junio, los investigadores trabajan con el European Space Research and Technology Centre de l’ESA (ESA-ESTEC) para consolidar los resultados de la investigación, y está previsto implementar un testbed: un sistema experimental para proporcionar alarmas de fulguraciones estelares con GNSS en tiempo real.