Detecten fulguracions estel·lars extrasolars utilitzant el sistema GPS

+
Descarregar

Imatge d'una fulguració solar capturada per l'Observatori de Dinàmica Solar de la NASA el 2017. Crèdits: NASA / SDO / Goddard.

+
Descarregar

Empremta en el ritme de variació del nivell d'ionització de la part alta de l'atmosfera (ionosfera) a la vertical de la estrella Proxima Centauri, probablement deguda a una gran fulguració que va mostrar el 18 de març de 2016 (mesurat amb dades GPS en dues freqüències)

+
Descarregar

Manuel Hernández-Pajares, investigador del Departament de Matemàtiques de la UPC, i David Moreno-Borràs, alumni de la Facultat d’Informàtica de Barcelona (FIB)

Manuel Hernández-Pajares, investigador del Departament de Matemàtiques de la UPC, i David Moreno-Borràs, 'alumni' de la Facultat d’Informàtica de Barcelona (FIB), han desenvolupat un sistema que permet detectar fulguracions estel·lars –augments sobtats de la radiació de les estrelles– utilitzant els senyals que emeten els sistemes de navegació per satèl·lit, popularment coneguts com a GPS.

30/06/2021

“La manera més senzilla d’explicar el que hem fet és comparar-ho amb les ombres xineses: en lloc d’observar directament el fenomen, el que fem és mirar l’ombra, l’empremta que deixa a l’atmosfera la fluctuació sobtada d’una part de la radiació estel·lar. I això ho fem utilitzant els sistemes de navegació per satèl·lit, el que coneixem com a GPS.” Així introdueix Manuel Hernández-Pajares, investigador del Departament de Matemàtiques de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) i responsable del grup de recerca de determinació Ionosfèrica i navegació per SAtèl·lit i sistemes Terrestres (IonSAT), el mètode que ha desenvolupat, en col·laboració amb David Moreno-Borràs, graduat recentment en Enginyeria Informàtica a la Facultat d’Informàtica de Barcelona (FIB) i ara investigador de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Aquest mètode permet la detecció de fulguracions estel·lars extrasolars fent servir només mesures globals del Sistemes de Navegació Global per Satèl·lit (GNSS), com ara el Sistema de Posicionament Global (GPS). La tècnica ha estat descrita en l’article ‘Real-time detection, location and measurement of geoeffective stellar flares from Global Navigation Satellite System data: new technique and case studies’, publicat a la revista científica ‘Space Weather’ de l’American Geophysical Union.

Les fulguracions estel·lars (flares) són un augment sobtat de la radiació dels estels: emissions electromagnètiques sobtades en determinades zones de la superfície dels estels que desprenen grans quantitat d’energia. Generen, així, una descàrrega de ions: una sobre-ionització sobtada de la part alta de l’atmosfera terrestre (ionosfera). Fins ara es detectaven a través de sondes espacials com ara el SOHO (Solar and Heliosferic Observatory) –una missió conjunta de l’ESA i la NASA per estudiar el Sol, i que conté un telescopi específic que permet detectar les fulguracions del Sol a partir de l’augment del fluxe de fotons–, o per telescopis com el Swift o el Fermi, per a fulguracions estel·lars extrasolars. Amb aquests instruments, tal com explica l’investigador vinculat a l’Escola de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB) i membre de l’IECC, “el que es fa és observar directament el fenomen.”

Mesurar l’augment de fluxes solars com si fossin ombres xineses
El mètode desenvolupat pels investigadors de la UPC implica “mirar l’empremta que genera aquestes fulguracions estel·lars en la part alta de l’atmosfera terrestre, l’anomenada ionosfera”, com si miréssim una representació del popular teatre d’ombres xinès.

Els Sistemes de Navegació Global per Satèl·lit (GNSS) funcionen gràcies a més de 24 satèl·lits per constel·lació (GPS, GLONASS, Galileo i Beidou) que orbiten al voltant de la Terra: cada satèl·lit emet senyals en forma d’ones electromagnètiques, semblants a la que fan servir els telèfons mòbils. Aquesta ona és recollida en un receptor de GPS, que calcula el temps que aparentment triguen els senyals en viatjar des dels satèl·lits, convertint-ho en pseudodistància (l’observable bàsic GNSS) en multiplicar-ho per la velocitat de la llum en el buit.

Quan es produeix una fulguració solar, aquesta genera sobtadament electrons lliures addicionals a la ionosfera, a 100 - 1.000 quilòmetres d’alçada. Les ones electromagnètiques que emeten els satèl·lits GNSS fan “ballar” els electrons lliures: això fa que aquests emetin un senyal electromagnètic molt similar, que se superposa al senyal original i fa canviar la velocitat de propagació i genera, així, un error en la pseudodistància. Per això, els satèl·lits GNSS emeten un segon senyal que, combinat amb el primer, permet eliminar l’efecte de la sobre-ionització i l’error que genera. Precisament, aquest sistema que elimina el marge d’error que causa la ionosfera també permet aïllar l’efecte de fulguracions estel·lars molt intenses i, per tant, detectar-les. El sistema GNSS es converteix, així, en un sistema de detecció i localització de fulguracions estel·lars.

Primera prova: el 2012, amb el Sol
Aquesta troballa ha estat possible gràcies al refinament de la tècnica desenvolupada prèviament per l’investigador Hernández-Pajares per detectar i mesurar fulguracions solars d’intensitat forta, mitja i feble. Una tècnica que està implementada actualment, i en temps real, en un projecte de l’Agència Especial Europea (ESA, per a les seves sigles en anglès) del programa Space Situation Awareness. L’algoritme desenvolupat, que els autors anomenen Blind GNSS search of Extraterrestrial EUV Sources (BGEES), s’ha verificat amb dues fulguracions estel·lars més llunyanes i, per tant, més difícils de detectar: la Proxima Centauri (detectada el 18 de març de 2016) i la NGTS J121939.5-355557 (localitzada l’1 de febrer de 2016). Les estimacions obtingudes amb l’algoritme BGEES han estat contrastades amb les dels estudis amb tècniques astronòmiques convencionals que han analitzat ambdues fulguracions estel·lars.

“És, molt probablement, la primera detecció reportada de fulguracions estel·lars extrasolars amb GPS”, explica l’investigador. La tècnica permet no només la detecció i mesura de la intensitat de la fulguració, sinó també l'estimació aproximada de la posició de la font extrasolar en l'esfera celeste amb un error mínim, de fins a pocs graus. Aquesta tècnica obre la porta a un nou tipus d’astronomia per a la detecció i estudi d’aquest tipus de fenòmens: un nou mètode utilitzant dades a temps real, gratuïtes i lliures gràcies als receptors GNSS distribuïts per tot el món.

Un pas més enllà: identificar l’habitabilitat d’exoplanetes
Els investigadors començaran, a partir del mes de juny, un nou projecte finançat per l’ESA per confirmar la nova tècnica i determinar si un futur sistema associat podria obrir un nou camp d’exploració de les mesures de l’activitat estel·lar, amb potencials aplicacions, com ara estimar l’habitabilitat dels exoplanetes, entre d’altres. ”Precisament aquesta font d’energia que detectem indirectament amb el GPS (l’increment sobtat del flux de fotons en banda EUV) és un dels elements clau per poder determinar si aquests exoplanetes estan en una zona habitable”, explica l’investigador, “i això ha despertat també l’interès de l’ESA”.

Des del mes de juny, els investigadors treballen amb l’European Space Research and Technology Centre de l’ESA (ESA-ESTEC) per consolidar els resultats de la recerca, i està previst implementar un testbed: un sistema experimental per proporcionar alarmes de fulguracions estel·lars amb GNSS en temps real.