Conjunción de Júpiter y Saturno del 21 de diciembre 2020: una imagen realmente única

Conjunción de Júpiter y Saturno del 21 de diciembre de 2020. En la imagen el telescopio OGS (Optical Ground Station) de la ESA y la cúpula de divulgación del Observatorio del Teide. Crédito: Daniel López / IAC.

Para muchos, un eclipse total de Sol es un evento astronómico único y excepcional (que sin duda lo es). Sin embargo, buscando el lugar apropiado del planeta, podremos disfrutar de ellos dos veces al año en promedio. Una conjunción tan cercana como la de Júpiter y Saturno del pasado 21 de diciembre de 2020 no se ha podido ver desde el 4 de marzo de 1226. Evidentemente, no se pudo registrar ni observar en detalle: hubo que esperar cuatro siglos para que llegase la invención del telescopio. Nadie, nunca, había podido ver una conjunción tan cercana de los gigantes gaseosos con tanto detalle. Y no tendremos otra oportunidad hasta el 28 de mayo de 2080.

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Figura 1. Imagen de la conjunción de Júpiter y Saturno del 21 de diciembre de 2020 (se recomienda su contemplación a pantalla completa y con el mayor brillo posible). Si sitúa el cursor sobre la misma, se etiquetarán los planetas, satélites y estrellas más brillantes observadas. También se señalan las órbitas de ambos planetas. (Créditos: A. Rosenberg, D. López y S. Hidalgo)

Pueden descargar todas las imágenes en alta calidad en: https://owncloud.iac.es/index.php/s/OOGbYIMf1vDgR3g

La imagen de la conjunción que presentamos (figura 1) corresponde a las 18:55 UT del 21 de diciembre de 2020, cuando la separación entre los planetas* era de tan solo 6´6.75”, 1/10 de grado o, lo que es lo mismo, 1/5 del diámetro lunar. Muestra, además, 11 satélites, y fue tomada con un telescopio de 10” desde el Observatorio del Teide. Este observatorio fue uno de los pocos lugares del planeta que permitió registrar el evento a pocos minutos de que Júpiter “adelantara por la calle interna” a Saturno desde el punto de vista terrestre, hecho que se produjo a las 18:22 UT (a una distancia angular de 6´6.67”) cuando comenzaba a oscurecerse el cielo en Canarias.

En la imagen podemos apreciar a los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno. Juntos suman el 92% de toda la masa planetaria del Sistema Solar. Pueden observarse también 11 satélites (4 de Júpiter y 7 de Saturno), donde 10 se encuentran entre los 16 satélites de más de 500 km de diámetro del Sistema Solar, y que suman el 84% de la masa de todos los satélites del mismo. La Gran Mancha Roja comienza a aparecer sobre la superficie de Júpiter. Debe tenerse en cuenta que, si bien ambos planetas parecen encontrarse muy próximos entre sí, en realidad cada uno se desplaza por su órbita a muy diversas distancias de nosotros, encontrándose Saturno y su séquito de satélites casi al doble de distancia que Júpiter y el suyo. Ser conscientes de esta realidad, y de que el resto de objetos son estrellas tremendamente lejanas, nos permite imaginar la profundidad de esta increíble y única imagen. Ambos planetas se mueven de derecha a izquierda en el momento de la observación**, desplazándose Júpiter más veloz que Saturno (33”/h del primero frente a 16”/h del segundo), mientras que todos los satélites giran en sentido antihorario en torno a sus respectivos planetas, orbitando los más cercanos a los planetas en muy pocos días.

Una imagen realmente excepcional

¿Cómo se hizo? 

Obtener la mejor imagen posible de un evento astronómico conlleva un importante trabajo de planificación, suerte en la observación y un procesado de los datos obtenidos muy cuidadoso. La observación del evento que nos ocupa planteaba diversas dificultades: ambos planetas se encontraban ya muy bajos respecto al horizonte tras la puesta de Sol (menos de 20o), la diferencia de brillo entre Júpiter (magnitud -1.97) e Hiperión (14.8) era de 17 magnitudes, y los planetas, especialmente Júpiter, giran a gran velocidad, debiendo tomarse los datos en el menor tiempo posible.

Tiempos_expo
Figura 2. Imágenes obtenidas con tiempos de exposición optimizados para Júpiter (a: 10 ms), Saturno (b: 20 ms) y objetos más débiles (c: 20 s). Todas ellas obtenidas entre las 18:49 y las 18:57 UT. (Créditos: A. Rosenberg y D. López)

La selección del instrumental también es crítica. Se quería obtener el mayor campo de visión posible, pero con una resolución adecuada. En Astrofotografía planetaria, un detector rápido junto con la mayor focal posible del telescopio (de forma que se tenga una resolución óptima en el detector) suele ser la combinación ganadora. Pero, para cubrir a Júpiter y Saturno juntos con sus satélites en el momento de máxima aproximación, necesitaríamos un campo de al menos 10 minutos de arco por lado. Decidimos utilizar un telescopio de gran focal, un VIXEN VMC260L de 3.000 mm de focal y una cámara de formato medio, la ASI1600MM de ZWO, capaz de registrar 23 imágenes de 4.565 x 3.520 píxeles por segundo, a una resolución de 0.26”/pixel y ofreciendo un campo de 0.33o x 0.25o (20 x 15 minutos de arco). De esta forma, podíamos cubrir el campo deseado a la resolución necesaria en un tiempo aceptable. Se obtuvieron series de 1.000 imágenes (en lo que se tardó menos de un minuto y medio) con diversos tiempos de exposición con el fin de obtener imágenes no saturadas de Júpiter (10 ms), Saturno (20 ms) y exposiciones más largas (por ejemplo, 10 de 20 s) para conseguir suficiente señal con el fin de detectar algunos de los satélites más débiles (figura 2 y 3a). Todo ello en el filtro L, que permite el paso de toda la luz en el rango visible del espectro. El tiempo entre las primeras y las últimas imágenes fue de menos de 8 minutos.

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Figura 3. Detalle de la imagen de larga exposición (a) donde se ha ajustado la intensidad y brillo de la imagen para mostrar el satélite Encélado. Mimas, en una órbita más cercana al planeta y situado en la parte posterior, no pudo ser detectado por la saturación de Saturno en la imagen. Las imágenes de Júpiter (b) y Saturno (c) fueron obtenidas en los filtros RGB para darles color. En particular, estas corresponden con los filtros B (azul) y R (rojo) respectivamente. (Créditos: A. Rosenberg y D. López)

Con el fin de dar color a los planetas, se decidió obtener imágenes en R (rojo), G (verde) y B (azul) de los mismos. El incremento en tiempos de exposición y ganancia hacía inviable utilizar la misma cámara. Se pasó entonces a otra más rápida y sensible, que nos permitía obtener imágenes de mayor resolución con tiempos de exposición suficientemente breves (una ASI290MM). Adicionalmente, se colocó un duplicador Powermate 2” de TeleVue para tratar de conseguir el mayor detalle posible. Comenzamos con Júpiter, más crítico debido a la mayor cantidad de detalles en su superficie y rápida velocidad de rotación (figuras 3b y 3c). A pesar de nuestro intento de obtener las imágenes los más rápidamente posible, estas tuvieron que ser derrotadas para compensar su rápida rotación.

El procesado de las imágenes en astrofotografía planetaria es muy distinto al de otras imágenes astronómicas. Se trata de intentar burlar la turbulencia atmosférica a partir de exposiciones muy breves y la selección de un número adecuado de imágenes con la mayor calidad entre una ráfaga de fotogramas lo más larga posible. Tras algunas pruebas, nosotros seleccionamos las mejores 300 imágenes de entre las 1.000 obtenidas para luego promediarlas, incrementando la señal a ruido de las mismas. Un proceso de deconvolución y posterior filtrado terminarían dándonos las mejores imágenes posibles a partir de los datos obtenidos. Este trabajo fue realizado con los conocidos programas AutoStakkert y RegistaX. De esta forma conseguimos un Júpiter y un Saturno de la mayor calidad posible. De forma análoga se trató cada una de las series de imágenes en cada uno de los filtros RGB, de forma que pudieron ser posteriormente unidos para dar color a los planetas.

Para el resto de estrellas y satélites, este procedimiento no es válido, ya que las exposiciones son demasiado largas. La técnica utilizada fue distinta. Para las exposiciones de varios segundos se realizó una búsqueda de objetos por encima de un determinado umbral en cada imagen individual. Se determinó su centro de masas luminoso (centroide) y el flujo de luz total mediante fotometría de apertura (se midió toda la luz que entra en un determinado círculo, restando el fondo de cielo que entra en un anillo exterior). Posteriormente se situó en cada posición un objeto con la forma que sabemos tiene una estrella (o satélite) con un flujo de luz equivalente al del objeto medido. De esta forma tenemos una imagen que se corresponde con la de una observación en condiciones ideales a través de un instrumento de las mismas características que el utilizado. Esta técnica se usa en Astrofísica desde hace décadas dentro del área de la Fotometría y Astrometría. Para ello, se utilizó el paquete Astropy*** de Python.

Finalmente, pasamos a unir toda la información obtenida con el fin de tratar de dar un registro gráfico, lo más fiel posible a lo que nuestros ojos pudieron observar a través de un telescopio. Para ello, se utilizó Photoshop. Debe tenerse en cuenta que todos los detectores utilizados responden de forma lineal con el tiempo: en el doble de tiempo, registran el doble de luz. Pero nuestro sentido de la vista (y otros) lo hacen de manera logarítmica, de forma que pueden adaptarse a ver objetos muy luminosos junto a otros muy débiles. Es por ello que, para representar toda la información obtenida de forma realista, se escaló logarítmicamente el flujo de luz de todos los objetos. De esta forma, somos capaces de ver, en una sola imagen, objetos brillantes como Júpiter y débiles como Hiperión, cuya diferencia de brillo es superior a la existente entre el Sol y la Luna. Estimamos que la imagen que hemos presentado es aproximadamente la que pudo ver un observador con un telescopio de 14 pulgadas (36 cm) de diámetro, unos cuatro metros de focal y un ocular de 10 mm, considerando la baja altitud de los planetas. 

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Figura 4. Imagen de la conjunción de Júpiter y Saturno del 21 de diciembre de 2020, a la que se ha añadido el satélite Mimas simulando su magnitud y posición en el momento de la toma de la imagen. (Se recomienda su contemplación a pantalla completa y con el mayor brillo posible). Si sitúa el cursor sobre la misma, se etiquetarán los planetas, satélites y estrellas más brillantes observadas. También se señalan las órbitas de ambos planetas. (Créditos: A. Rosenberg, D. López y S. Hidalgo)

Finalmente, y con el único objeto de crear una imagen especialmente didáctica/divulgativa para los dos planetas gigantes, se decidió crear una composición en la que se añadió el satélite Mimas (figura 4), que no pudo observarse debido a su cercanía y el gran brillo de Saturno.

*Dato obtenido de Stellarium (www.stellarium.org)

**Ocasionalmente los planetas se mueven aparentemente en sentido opuesto en un movimiento denominado retrógrado.

***Astropy Collaboration: Price-Whelan, A. M et al. 2018, AJ, 156, 123A