En astronomía, una curva de fase describe el brillo de un cuerpo reflectante en función de su ángulo de fase . El brillo generalmente se refiere a la magnitud absoluta del objeto , que, a su vez, es su magnitud aparente a una distancia de la unidad astronómica de la Tierra y el Sol. El ángulo de fase es igual al arco subtendido por el observador y el sol medido en el cuerpo.
La curva de fase es útil para caracterizar el regolito (suelo) y la atmósfera de un objeto . También es la base para calcular el albedo geométrico y el albedo de Bond del cuerpo. En la generación de efemérides , la curva de fase se utiliza junto con las distancias del objeto al Sol y la Tierra para calcular la magnitud aparente.
Mercurio
La curva de fase de Mercurio es muy pronunciada, lo cual es característico de un cuerpo en el que se expone a la vista un regolito desnudo (suelo). En ángulos de fase superiores a 90 ° ( fase creciente ), el brillo desciende de forma especialmente pronunciada. La forma de la curva de fase indica una pendiente media en la superficie de Mercurio de unos 16 °, [1] que es ligeramente más suave que la de la Luna . Acercándose al ángulo de fase 0 ° (fase completamente iluminada) la curva se eleva a un pico agudo. Este aumento de brillo se llama efecto de oposición [2] [3] porque para la mayoría de los cuerpos (aunque no Mercurio) ocurre en oposición astronómica cuando el cuerpo está opuesto al Sol en el cielo. El ancho de la oleada de oposición para Mercurio indica que tanto el estado de compactación del regolito como la distribución de tamaños de partículas en el planeta son similares a los de la Luna. [1]
Las primeras observaciones visuales que contribuyen a la curva de fase de Mercurio fueron obtenidas por G. Muller [4] en el siglo XIX y por André-Louis Danjon [5] [6] [7] a mediados del siglo XX. W. Irvine y sus colegas [8] utilizaron fotometría fotoeléctrica en la década de 1960. Algunos de estos primeros datos fueron analizados por G. de Vaucouleurs, [9] [10] resumidos por D. Harris [11] y utilizados para predecir magnitudes aparentes en el Almanaque Astronómico [12] durante varias décadas. A. Mallama, D. Wang y R. Howard [1] llevaron a cabo nuevas observaciones altamente precisas que cubren el rango más amplio de ángulos de fase hasta la fecha (2 a 170 °) utilizando el Coronógrafo Espectrométrico y de Gran Ángulo (LASCO) en el Solar y satélite del Observatorio Heliosférico (SOHO) . También obtuvieron nuevas observaciones CCD desde tierra. Estos datos son ahora la principal fuente de la curva de fase utilizada en el Almanaque Astronómico [13] para predecir magnitudes aparentes.
El brillo aparente de Mercurio visto desde la Tierra es mayor en un ángulo de fase de 0 ° ( conjunción superior con el Sol) cuando puede alcanzar una magnitud de -2,6. [14] En ángulos de fase que se acercan a 180 ° ( conjunción inferior ), el planeta se desvanece a una magnitud de +5 [14] con el brillo exacto dependiendo del ángulo de fase en esa conjunción en particular . Esta diferencia de más de 7 magnitudes corresponde a un cambio de más de mil veces en el brillo aparente.
Venus
La curva de fase relativamente plana de Venus es característica de un planeta nublado. [14] En contraste con Mercurio, donde la curva tiene un pico fuerte acercándose al ángulo de fase cero (fase completa), la de Venus está redondeada. El amplio ángulo de dispersión de la iluminación de las nubes, a diferencia de la dispersión más estrecha del regolito, provoca este aplanamiento de la curva de fase. Venus exhibe un aumento de brillo cerca del ángulo de fase de 170 °, cuando es una media luna delgada , debido a la dispersión hacia adelante de la luz solar por las gotas de ácido sulfúrico que se encuentran por encima de las nubes del planeta. [15] Incluso más allá de los 170 °, el brillo no disminuye mucho.
La historia de observación y análisis de la curva de fase de Venus es similar a la de Mercurio. El mejor conjunto de observaciones e interpretaciones modernas fue informado por A. Mallama, D. Wang y R. Howard. [15] Utilizaron el instrumento LASCO en SOHO y equipo CCD en tierra para observar la curva de fase de 2 a 179 °. Al igual que con Mercurio, estos nuevos datos son la principal fuente de la curva de fase utilizada en el Almanaque Astronómico [13] para predecir magnitudes aparentes.
En contraste con Mercurio, el brillo aparente máximo de Venus visto desde la Tierra no ocurre en el ángulo de fase cero. Dado que la curva de fase de Venus es relativamente plana, mientras que su distancia a la Tierra puede variar mucho, el brillo máximo se produce cuando el planeta es una media luna, en un ángulo de fase de 125 °, momento en el que Venus puede ser tan brillante como una magnitud de -4,9. [14] Cerca de la conjunción inferior, el planeta típicamente se desvanece a una magnitud de -3 [14] aunque el valor exacto depende del ángulo de fase. El rango típico de brillo aparente de Venus en el transcurso de una aparición es menos de un factor de 10 o simplemente el 1% del de Mercurio.
tierra
La curva de fase de la Tierra no se ha determinado con tanta precisión como las de Mercurio y Venus porque su brillo integrado es difícil de medir desde la superficie. En lugar de la observación directa, la luz de la tierra reflejada por la porción de la Luna no iluminada por el Sol ha servido como proxy. Se han obtenido algunas mediciones directas de la luminosidad de la Tierra con la nave espacial EPOXI . Si bien no cubren gran parte de la curva de fase, revelan una curva de luz rotacional causada por el tránsito de océanos oscuros y masas de tierra brillantes a través del hemisferio. P. Goode y sus colegas del Observatorio Solar Big Bear han medido la luz de la tierra [16] y T. Livengood de la NASA analizó los datos de EPOXI. [17]
La Tierra, vista desde Venus cerca de la oposición del Sol, sería extremadamente brillante en magnitud -6. Para un observador fuera de la órbita de la Tierra en Marte, nuestro planeta parecería más luminoso cerca del momento de su mayor elongación del Sol, en una magnitud aproximada de -1,5.
Marte
Solo alrededor de 50 ° de la curva de fase marciana se pueden observar desde la Tierra porque orbita más lejos del Sol que nuestro planeta. Hay una oleada de oposición, pero es menos pronunciada que la de Mercurio. La rotación de marcas superficiales brillantes y oscuras a través de su disco y la variabilidad de su estado atmosférico (incluidas sus tormentas de polvo) superponen variaciones en la curva de fase. R. Schmude [19] [20] obtuvo muchas de las medidas de brillo de Marte utilizadas en un análisis exhaustivo de la curva de fase realizado por A. Mallama. [18]
Debido a que la órbita de Marte es considerablemente excéntrica, su brillo en oposición puede variar de magnitud -3.0 a -1.4. [14] El brillo mínimo es de una magnitud de +1,6 [14] cuando Marte está en el sitio opuesto al Sol de la Tierra. Las variaciones de rotación pueden elevar o suprimir el brillo de Marte en un 5% y las tormentas de polvo globales pueden aumentar su luminosidad en un 25%. [14] [18]
Gigantes de gas
Los planetas más externos ( Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno ) están tan distantes que solo pequeñas porciones de sus curvas de fase cercanas a 0 ° (fase completa) pueden evaluarse desde la Tierra. Esa parte de la curva es generalmente bastante plana, como la de Venus, para estos planetas nublados.
La magnitud aparente de Júpiter varía de -2,9 a -1,4, Saturno de -0,5 a +1,4, Urano de +5,3 a +6,0 y Neptuno de +7,8 a +8,0. La mayoría de estas variaciones se deben a la distancia. Sin embargo, el rango de magnitud de Saturno también depende de su sistema de anillos, como se explica a continuación.
Los anillos de Saturno
El brillo del sistema de Saturno depende de la orientación de su sistema de anillos . Los anillos contribuyen más al brillo general del sistema cuando están más inclinados hacia la dirección de la iluminación del Sol y hacia la vista del observador. Los anillos abiertos contribuyen aproximadamente a una magnitud de brillo solo en el disco. [14] Las partículas heladas que componen los anillos también producen una fuerte oleada de oposición. Las imágenes del telescopio espacial Hubble y la nave espacial Cassini se han analizado en un intento de caracterizar las partículas del anillo en función de sus curvas de fase. [22] [23] [24] [25]
La luna
La curva de fase de la Luna se parece aproximadamente a la de Mercurio debido a las similitudes de las superficies y la falta de atmósfera en ambos cuerpos. [27] Los datos de la nave espacial Clementine analizados por J. Hillier, B. Buratti y K. Hill [28] indican una oleada de oposición lunar. La magnitud aparente de la Luna en fase completa es -12,7 [29] mientras que en un cuarto de fase es un 21 por ciento más brillante. [26]
Satélites planetarios
Se han observado e interpretado las curvas de fase de muchos satélites naturales de otros planetas [30] [31] . Las lunas heladas a menudo exhiben oleadas de brillo de oposición. Este comportamiento se ha utilizado para modelar sus superficies.
Asteroides
También se han observado las curvas de fase de muchos asteroides [32] y también pueden presentar oleadas de oposición. Los asteroides se pueden clasificar físicamente de esta manera. [33] Los efectos de la rotación pueden ser muy grandes y deben tenerse en cuenta antes de calcular la curva de fase. R. Baker et al., Informaron de un ejemplo de tal estudio. [34]
Exoplanetas
Los programas para caracterizar planetas fuera del sistema solar dependen en gran medida de la espectroscopia para identificar los componentes y estados atmosféricos, especialmente aquellos que apuntan a la presencia de formas de vida o que podrían sustentar vida. Sin embargo, el brillo se puede medir para objetos del tamaño de la Tierra muy distantes que son demasiado débiles para el análisis espectroscópico. A. Mallama [35] ha demostrado que el análisis de la curva de fase puede ser una herramienta útil para identificar planetas similares a la Tierra. Además, J. Bailey [36] ha señalado que las anomalías de la curva de fase, como el exceso de brillo de Venus, podrían ser indicadores útiles de componentes atmosféricos como el agua, que podrían ser esenciales para la vida en el universo .
Críticas al modelado de curvas de fase
Las inferencias sobre regolitos a partir de curvas de fase se basan frecuentemente en la parametrización de Hapke . Sin embargo, en una prueba a ciegas, M. Shepard y P. Helfenstein [37] no encontraron pruebas sólidas de que un conjunto particular de parámetros de Hapke derivados de datos fotométricos pudiera revelar de manera única el estado físico de las muestras de laboratorio. Estas pruebas incluyeron el modelado de las funciones de fase de Henyey-Greenstein de tres términos y el efecto de oposición de retrodispersión coherente. Este hallazgo negativo sugiere que el modelo de transferencia radiativa desarrollado por B. Hapke puede ser inadecuado para el modelado físico basado en fotometría.
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