De los aproximadamente 5.500 exoplanetas descubiertos hasta la fecha, se ha descubierto que muchos orbitan muy cerca de sus estrellas madre. Estos planetas cercanos brindan una oportunidad única para observar en detalle los fenómenos críticos para el desarrollo y la evolución de nuestro propio sistema solar, incluida la pérdida de masa atmosférica y las interacciones con la estrella anfitriona. La misión Colorado Ultraviolet Transit Experiment (CUTE) de la NASA, lanzada en septiembre de 2021, empleó un nuevo diseño que permitió explorar estos procesos utilizando una pequeña nave espacial por primera vez. CUTE proporciona diagnósticos espectrales únicos que rastrean las atmósferas que escapan de planetas gigantes ultracalientes cercanos. Además, la arquitectura de misión dedicada de CURE permite la duración del estudio necesaria para caracterizar la estructura atmosférica y la variabilidad en estos mundos.
El escape atmosférico es un proceso fundamental que afecta a la estructura, composición y evolución de muchos planetas. Ha operado en todos los planetas terrestres de nuestro sistema solar y probablemente impulsa la demografía de la población de planetas de período corto caracterizada por la misión Kepler de la NASA. De hecho, el escape atmosférico puede ser, en última instancia, el factor determinante a la hora de predecir la habitabilidad de los exoplanetas terrestres templados. Las atmósferas de exoplanetas que escapan se observaron por primera vez en la línea de hidrógeno Lyman-alfa (121 nm) en 2003. Sin embargo, la contaminación por hidrógeno neutro tanto en el medio interestelar intermedio como en la atmósfera superior de la Tierra hace que la obtención de mediciones de tránsito Lyman-alfa de alta calidad para la mayoría de los exoplanetas sea muy difícil. Por el contrario, el flujo ultravioleta cercano (NUV; 250 – 350 nm) de una estrella anfitriona es de dos a tres órdenes de magnitud más alto que Lyman-alfa, y las curvas de luz de tránsito se pueden medir con una distribución de intensidad de superficie estelar más suave.
Este conocimiento motivó a un equipo dirigido por el Dr. Kevin France del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado a diseñar la misión CUTE (Fig. 2). El equipo propuso el concepto CUTE a la NASA a través del Programa ROSES/Astrophysics Research and Analysis (APRA) en febrero de 2016 y la NASA financió el proyecto en julio de 2017. El instrumento CUTE fue pionero en el uso de dos tecnologías en una pequeña misión espacial: un novedoso telescopio Cassegrain rectangular (20 cm × espejo primario de 8 cm) y un espectrógrafo en miniatura de baja resolución que opera desde aproximadamente 250 a 330 nm. El telescopio rectangular se fabricó para acomodar el volumen único del instrumento del factor de forma CubeSat de 6U, una adaptación que ofrece aproximadamente tres veces el área de recolección de un telescopio tradicional de apertura circular. El espectrógrafo compacto cumple con los requisitos de resolución espectral de la misión al tiempo que utiliza tecnología de componentes a escala reducida adaptada del Telescopio Espacial Hubble.
Este novedoso diseño de instrumento permite a CUTE medir NUV con una precisión similar a la de misiones más grandes, incluso en el entorno térmico y de apuntamiento más desafiante que experimenta un CubeSat. Además, el paso de banda NUV del instrumento CUTE le permite medir iones de hierro y magnesio de capas atmosféricas muy extendidas a las que los instrumentos terrestres no pueden acceder. El instrumento científico CUTE está incorporado en un bus de nave espacial de 6U Blue Canyon Technologies que proporciona energía, comando y manejo de datos, control de actitud y comunicaciones. Esta plataforma CubeSat permite a CUTE observar numerosos tránsitos de un planeta determinado. El espectrograma del instrumento CUTE se registra en un dispositivo comercial de carga acoplada (CCD) optimizado para UV, se realiza el procesamiento de datos a bordo y los productos de datos se transmiten a una estación terrestre en la Universidad de Colorado.
CUTE fue lanzado como carga útil secundaria en la misión LANDSAT-9 de la NASA el 27 de septiembre de 2021 a una órbita sincrónica con el Sol con un apogeo de 560 km. CUTE desplegó desde el dispensador de carga útil (Fig. 3) aproximadamente dos horas después del lanzamiento y luego desplegó sus paneles solares. Las señales de balizas de las naves espaciales fueron identificadas por la comunidad de radioaficionados en la primera órbita y se establecieron comunicaciones con la estación terrestre de la Universidad de Colorado al día siguiente. La puesta en órbita de la nave espacial y el instrumento concluyó en febrero de 2022 y la misión ha estado realizando operaciones científicas desde entonces.
A partir de febrero de 2024, CUTE está adquiriendo activamente datos científicos y de calibración (Fig. 4), y ha observado entre 6 y 11 tránsitos de siete sistemas exoplanetarios diferentes. La eficiencia del enlace descendente de datos es el principal factor que limita el número de objetivos observados en el transcurso de la misión. Las curvas de luz y la espectroscopia de tránsito están revelando atmósferas NUV extendidas en algunos planetas (Fig. 5) y una posible variabilidad temporal en los espectros de transmisión atmosférica de otros. Por ejemplo, las observaciones del exoplaneta ultracaliente, Júpiter WASP-189b, indican una atmósfera muy extendida. Se observa que los iones de magnesio se liberan gravitacionalmente del planeta, lo que es evidencia de un escape activo de elementos pesados en este sistema. Los datos de CUTE están siendo archivados por el Instituto de Ciencia de Exoplanetas de la NASA (NExScI).
CUTE demostró con éxito el uso de un telescopio no circular y un diseño de espectrógrafo en miniatura para pequeñas misiones espaciales, un enfoque que ha sido adoptado posteriormente por varios diseños de misiones de la NASA e internacionales, incluida la nueva misión MANTIS (Monitoring Activity from Nearby sTars with uv Imaging and Spectroscopy) (MANTIS) de la NASA. La demostración de CUTE de una precisión NUV inferior al 1% ha demostrado que la precisión alcanzada por las grandes misiones de astronomía UV también se puede lograr con un CubeSat. Además, la capacitación de los estudiantes y la tutoría en los inicios de la carrera han sido ingredientes clave para el éxito de la misión de CUTE. Hasta ahora, más de 20 estudiantes y profesionales que inician su carrera se han capacitado y participado en actividades de CUTE, que van desde la ciencia hasta la ingeniería y las operaciones.
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