Cazando exoplanetas Understand article

Traducido por Henar Sánchez Losada y Gabriel Pinto (Universidad Politécnica de Madrid). La posibilidad de la existencia de mundos más allá del nuestro ha fascinado a la gente durante milenios. Ahora la tecnología trae estos otros mundos- o exoplanetas- a nuestro alcance para que los…

“Hay infinitos mundos tanto parecidos como distintos al nuestro”. Así lo dijo el filósofo y atomista griego Epicuro en el siglo cuarto a.C. Pero igual que las ideas griegas de un Sistema Solar heliocéntrico se perdieron en el revuelo de la historia, la noción de Epicuro de un cosmos sin límites fue barrida por la filosofía dominante de Aristóteles, que defendía que “no puede haber más que un mundo”.

Pasaron casi 2000 años antes de que la posibilidad de que la Tierra no estuviese sola fuera tomada en serio de nuevo. En Italia en 1584, en el apogeo del Renacimiento, el filósofo Giordiano Bruno propuso que el Universo era infinito y que las estrellas son soles lejanos en torno a los que orbitan “innumerables mundos”. Alrededor de 400 años más tarde, en 1992, se dio la primera detección confirmada de uno de los innumerables mundos de Bruno, de la mano de los radio astrónomos Aleksander Wolszczan y Dale Frail (Wolszczan & Frail, 1992). Wolszczan y Frail habían descubierto un púlsar girando furiosamente a gran velocidad en la constelación de Virgo. Mientras rota a más de 160 revoluciones por segundo, esta diminuta estrella colapsada emite fuertes haces de radio que barren la Tierra en forma de rápidas pulsaciones. Una irregularidad en la señal llevó a los astrónomos a concluir que “el púlsar está orbitado por dos o más cuerpos del tamaño de planetas”, que se convirtieron en los primeros ‘exoplanetas’ conocidos – planetas externos a nuestro propio Sistema Solar. Tres años después, otro exoplaneta fue descubierto por Michel Mayory Didier Qeloz w1, esta vez en órbita alrededor de una estrella similar al Sol llamada 51 Pegasi. Era un mundo extremo – un planeta de tipo ‘Júpiter caliente’ al menos 150 veces más masivo que la Tierra y que orbitaba alrededor de su sol a una distancia incluso menor a la que Mercurio orbita alrededor del nuestro.

Artist’s impression of the pulsar planet system discovered by Wolszczan and Frail
Interpretación artística del sistema de planetas de púlsar descubierto por Wolszczan y Frail
NASA/JPL-Caltech
 

Los astrónomos se dieron cuenta de que era posible detectar exoplanetas, y la carrera para encontrar más comenzó. Los métodos de detección mejoraron, y los descubrimientos empezaron a acumularse.

Sabemos de la existencia de más de 4000 exoplanetas: la mayoría cerca de nuestro Sistema Solar, ya que su proximidad los hace relativamente sencillos de detectar. Esto sugiere que podría haber hasta 11 mil millones de planetas del tamaño de la Tierra y potencialmente habitables solo en nuestra Vía Láctea.

Mundos alienígenas

La caza de exoplanetas ha tenido mucho más éxito del que los astrónomos en su día se atrevieron a soñar. Los sistemas planetarios alienígenas son ubicuos y sorprendentemente diversos, con muy poca semejanza a nuestro Sistema Solar. Ahora parece que la mayoría de las estrellas tienen planetas, y que los pequeños planetas rocosos son abundantes, incluidos mundos similares a la Tierra que orbitan su estrella principal en la ‘zona habitable’, donde puede existir agua líquida en la superficie del planeta – una condición que se considera esencial para la vida. Se han encontrado muchos exoplanetas gigantescos semejantes a Júpiter, y tenemos imágenes de algunos. Hemos detectado nubes en sus cielos y, gracias al análisis espectral, podemos incluso identificar los elementos de sus atmósferas.

Sin embargo, la caza de exoplanetas se enfrenta a desafíos considerables. Los planetas son mucho más tenues y pequeños que las estrellas que orbitan, por lo que dependemos fundamentalmente de métodos indirectos para encontrarlos, en vez de fotografiarlos directamente. Hay varias aproximaciones diferentes, cada una con sus ventajas y desventajas. En este artículo echamos un vistazo a algunos de los métodos de descubrimiento más importantes.

Método del tránsito

Si un exoplaneta pasa por delante de su estrella principal mientras observamos desde la Tierra – fenómeno conocido en astronomía como ‘tránsito’ – el brillo de la estrella decaerá brevemente, aunque solo sea en una fracción diminuta, como se vio en el tránsito triple de la estrella TRAPPIST-1 en 2015 (figura 1). Más de tres cuartas partes de los exoplanetas conocidos se detectaron de esta manera. El método del tránsito requiere un poco de suerte: debido a que las inclinaciones de sus órbitas están distribuidas aleatoriamente, desde nuestro punto de vista la mayoría de exoplanetas no se ven nunca en tránsito delante de su estrella. Para eludir este problema, los telescopios espaciales como el Kepler de la NASA estudian numerosas estrellas durante largos periodos de tiempo. Las estrellas pueden también mostrar descensos en su brillo a causa de particularidades de la superficie como manchas solares, por lo que se necesitan observaciones continuas para confirmar un descubrimiento.

Figure 1: Graph showing the changing brightness of the red dwarf star TRAPPIST-1, which is caused by three exoplanets passing in front of the star in quick succession
Figura 1: Gráfico que muestra el cambio en el brillo de la estrella  enana roja TRAPPIST-1, causado por tres exoplanetas pasando por delante de la estrella en rápida sucesión.
ESO/M Gillon et al., CC BY 4.0
Relative brightness: Brillo relativo;
11 December 2019: 11 diciembre 2015;
Time: Tiempo

Durante el tránsito, la luz de la estrella atraviesa la atmósfera del exoplaneta, donde algunas longitudes de onda son absorbidas selectivamente por elementos y moléculas de la propia atmósfera. El patrón de absorción, que podemos interpretar llevando a cabo un análisis espectral, sirve como una “huella digital” química, que nos indica qué sustancias están presentes. Tales estudios han revelado agua en atmósferas de exoplanetas (Tsiaras et al., 2019) y pueden incluso decirnos si el agua atmosférica se encuentra en estado vapor o líquido.

Método astrométrico

Los planetas son mucho menos masivos que las estrellas, pero aun así ejercen una atracción sobre ellas. El forcejeo gravitacional entre un planeta y su estrella provoca que ambos orbiten alrededor de un centro de masa común que normalmente se encuentra en el interior de la propia estrella, aunque no justo en el medio. El resultado es que la estrella parece tambalearse mientras se mueve en una órbita minúscula alrededor del centro de masa conjunto. La fuerza de Júpiter sobre el Sol, por ejemplo, hace que el Sol cabeceé a una velocidad media de 12m/s ya que orbita un centro de masa cercano a su superficie. El efecto de todos los planetas de nuestro Sistema Solar se traduce en la trayectoria de vaivén mostrada en la figura 2.

Figure 2: The black line shows the wobbling path of the Sun from 1944 to 1997 as the planets of the Solar System pull on it. The yellow circle indicates the Sun’s size
Figura 2: La línea negra muestra la trayectoria de vaivén del sol entre 1944 y 1997 debida a la atracción que ejercen sobre él los planetas del Sistema Solar. El círculo amarillo indica el tamaño del Sol .
Carl Smith/Rubik-wuerfel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
 

El modelo astronométrico se basa en la detección de este revelador pero casi imperceptible vaivén en estrellas situadas a muchos años luz de distancia, lo que impone altas exigencias a la sensibilidad de los instrumentos. Para poner esto en perspectiva, una estrella del tamaño del Sol situada a 42 años luz (diez veces más cerca que nuestra estrella vecina más cercana, Proxima Centauri) solo cabecearía un quinto de la millonésima parte de un grado bajo la influencia de un planeta como Júpiter. Es equivalente a ver desde la Tierra la Estación Espacial Internacional moverse 1,5 mm en su órbita. El efecto de un planeta del tamaño de la Tierra sería unas 1600 veces menor.

Menos del 0,02% de los planetas conocidos se han encontrado por este método. Aun así, esa cifra podría aumentar, gracias a telescopios espaciales como el transportado por la nave espacial Gaia de la ESA. El equipo de Gaia no se ve afectado por la distorsión de la atmósfera terrestre, y puede detectar movimientos tan pequeños como un cuarto de la mil millonésima parte de un grado.

Método de la velocidad radial

Otra manera de detectar el movimiento de vaivén de una estrella es buscar cambios en su espectro. Esto se conoce como el método de la velocidad radial y hace uso del efecto Doppler – la compresión o dilatación de las ondas emitidas por una fuente que se aproxima o aleja del observador. Cuando una estrella se aleja de nosotros, su luz se desplaza hacia el extremo rojo del espectro; cuando se acerca, la luz se desplaza hacia el azul.

El cambio en la longitud de onda causado por un planeta en órbita es ínfimo. El vaivén de 12 m/s de nuestro Sol, causado por Júpiter, desplaza su espectro en un mero 0,000004%. Incluso así, los espectroscopios astronómicos pueden ya detectar movimientos estelares de menos de 1 m/s, y se está trabajando para alcanzar la precisión de 0,1 m/s requerida para detectar planetas similares a la Tierra. Por esta razón, el método de la velocidad radial es una piedra angular de la astronomía exoplanetaria y es la razón de cerca del 20% de los descubrimientos realizados desde 2012.

Al igual que otras técnicas utilizadas para la caza de exoplanetas, el método de la velocidad radial tiene un sesgo observacional, favorece los planetas que son más sencillos de encontrar: los mundos similares a Júpiter que orbitan a poca distancia de su estrella. La velocidad radial también tiene una tendencia a detectar estrellas ricas en elementos pesados, ya que la luz de estas tiene más líneas espectrales, haciendo que los desplazamientos Doppler sean más fáciles de detectar.

Imagen directa

Figure 4: Actual image of the exoplanet HIP 65426b, produced by ESO’s Very Large Telescope. The planet’s star, shown by a cross, has been masked out. The circle indicates the orbit of Neptune on the same scale.
Figura 3: Imagen real del
exoplaneta HIP 65426b,
capturada por el Telescopio
Extremadamente Grande de
la ESO. La estrella del
planeta, señalada con una
cruz, ha sido enmascarada. El
círculo indica la órbita de
Neptuno a la misma escala.  

ESO
 

La prueba definitiva de la existencia de un exoplaneta es una fotografía del mismo, pero conseguir una imagen directa requiere telescopios con una resolución increíblemente alta. Cuanto más lejos esté un exoplaneta, y cuanto más cerca esté de su estrella, más ancho necesita ser el espejo o lente de concentración para identificarlos como dos objetos diferentes. Se necesitaría un telescopio de 8 m de ancho para separar a Júpiter de nuestro Sol viéndolos desde una distancia de 600 años luz, mientras que distinguir la Tierra requeriría un telescopio de 39 m. Un telescopio de este mismo tamaño – el Telescopio Extremadamente Grande (ELT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) w2 – se está construyendo actualmente en el Desierto de Atacama de Chile y debería comenzar la búsqueda de exoplanetas en 2026. Se pueden conseguir resoluciones incluso mayores mediante la combinación de datos procedentes de varios telescopios dispuestos en un área mayor – técnica conocida como interferometría.

El mayor reto por superar es el contraste extremo entre el brillo de la luz reflejada por el exoplaneta y la de su estrella principal, que es hasta diez mil millones de veces más brillante que un exoplaneta parecido a la Tierra. Una forma de superar este problema es utilizar una técnica de enmascaramiento llamada coronografía para suprimir la luz de la estrella.

A día de hoy más de 100 exoplanetas han sido “fotografiados” directamente (Chauvin et al., 2017; ver figura 3). Al igual que el método del tránsito, la “fotografía” directa nos permite estudiar el espectro de la luz de los exoplanetas e identificar los elementos de sus atmósferas.

Desarrollos futuros

Es probable que los próximos años sean muy emocionantes para la investigación de exoplanetas a medida que entren en funcionamiento nuevos telescopios y los métodos de detección mejoren. Un proyecto prometedor es SPECULOOS, un conjunto de cuatro telescopios robóticos de 1 m de ancho que se encuentran en construcción en el Desierto de Atacama. SPECULOOS buscará planetas similares a la Tierra que orbiten alrededor de estrellas cercanas con superficies a una temperatura inferior a 2500 K.

En la década de 2020, el Telescopio Espacial James Webb (una colaboración entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense) y telescopios de gran apertura como el ELT proporcionarán la resolución necesaria para encontrar más planetas como la Tierra en zonas habitables alrededor de estrellas parecidas al Sol. El análisis espectral y otras técnicas de procesamiento harán posible no solo identificar estos mundos, sino también realizar un análisis químico de sus atmósferas – y buscar signos indicadores de vida tal como la conocemos.
 

The four telescopes of the PECULOOS Southern Observatory, which will search for Earth-sized exoplanets
Los cuatro telescopios del Observatorio Austral de SPECULOOS, que buscarán exoplanetas del tamaño de la Tierra
tau-tec GmbH

Exoplanetas para colegios

La caza de exoplanetas no es solo el resultado de la perseverancia de astrónomos profesionales que cuentan con equipos grandes y caros. Mediante el método del tránsito, incluso un modesto telescopio de 10–20 cm puede revelar el eclipse de una estrella cuando un exoplaneta pasa por delante. Puede que sea improbable que los astrónomos aficionados o los colegios descubran nuevos exoplanetas, pero realizando observaciones continuas de los planetas conocidos, puedes proporcionar datos de valor incalculable para nuestra tarea de aprender más de estos mundos fascinantes. Puedes encontrar enlaces a páginas web que describen este tipo de actividades educativas en la sección de recursos. ¡Feliz caza!

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References

Web References

  • w1 – A Michel Mayor y Didier Queloz se les concedió el Premio Nobel de Física en 2019 por el descubrimiento de un exoplaneta que orbitaba alrededor de una estrella de tipo solar. Lee sobre su descubrimiento en la página web de la organización del Premio Nobel.
  • w2 – ESO es la principal organización intergubernamental de astronomía en Europa y el observatorio con base terrestre más productivo del mundo, con sede principal en Garching, cerca de Múnich, Alemania, y con telescopios en Chile.

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Wolfgang Vieser es astrofísico y profesor de física. Posée un doctorado en astrofísica y enseñó en un instituto de secundaria durante 14 años antes de desempeñar un puesto como Coordinador de Educación de la ESO. Acercar la ciencia puntera a las clases y apoyar a los profesores en el uso de la astronomía como puerta al mundo de la ciencia son sus principales objetivos.


Review

La búsqueda de exoplanetas parece ser una nueva disciplina de la astronomía. Para los habitantes de la Tierra, es interesante ver si hay algo ahí fuera parecido a nuestro propio planeta. Quizá pronto seamos capaces de responder a la pregunta: ¿estamos solos?

Este artículo describe los métodos actuales utilizados para descubrir exoplanetas, que emplean principios familiares de física y de química. Este artículo podría utilizarse como ejercicio de comprensión, pudiendo incluir las siguientes preguntas y tareas.

  • ¿Qué es un exoplaneta?

  • Resume la historia del descubrimiento de los exoplanetas.

  • Describe uno de los métodos utilizados para descubrir exoplanetas.

  • ¿Cuál es el futuro más probable del descubrimiento de exoplanetas?


Gerd Vogt, profesor de física y tecnología, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




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