Cuando uno es astrofísico de formación y se dedica a la Astrobiología siente una especie de orgullo por la aportación que supone el descubrimiento de exoplanetas para el estudio del origen de la vida y su búsqueda en otros lugares del Universo.
Si, además, como es mi caso, se dedica a su investigación, a caracterizarlos para saber cómo son, cómo se originaron y así poder compararlos con nuestro Sistema Solar con el fin de conocer mejor nuestra “casa”; sabe que con el descubrimiento del primer exoplaneta no finalizó la carrera, sino que comenzó, y que queda mucho por hacer hasta estar en condiciones de poder anunciar, si es que existe: “hemos encontrado vida fuera de la Tierra”.
Afortunadamente, quizá por las connotaciones sociales que tiene, la búsqueda y caracterización de exoplanetas es en la actualidad una de las líneas de la Astrofísica observacional con mayor empuje. Se piensa que sólo en nuestra Galaxia hay alrededor de mil millones de sistemas planetarios. Esto significa que hay muchos sitios donde mirar y que la tarea está apenas comenzando.
El interés de la investigación en este campo radica no sólo en la posibilidad de elucidar cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios en general, y nuestro Sistema Solar en particular, sino en el descubrimiento, mediante misiones espaciales, de planetas “tipo Tierra” o “telúricos”. Además, a más largo plazo, se conseguirá el análisis de sus atmósferas y, por tanto, la posibilidad de determinar si en alguno existe actividad biológica. Al menos está claro cuál debe ser el camino. Por otro lado, esta línea de investigación constituye una de las motivaciones científicas más importantes para el diseño de grandes telescopios terrestres (de clase diez metros y superiores) y su instrumentación. El trabajo complementario de los observatorios espaciales y terrestres producirá, sin duda, ciencia de gran calidad, cuyo impacto, no sólo científico también social, parece obvio.
La investigación de exoplanetas constituye también una pieza fundamental para comprender cómo se formó nuestro Sistema Solar y, por tanto, cómo es la evolución temprana de estrellas como el Sol. Pero, evidentemente, su fin último es encontrar uno similar a la Tierra e identificar la presencia de vida en él. Para llegar a ese momento todavía quedan muchos problemas que resolver. Hay que llenar muchos huecos cognitivos sobre el origen y evolución de estos cuerpos.
La carrera del descubrimiento
La existencia de otros mundos fuera de nuestro Sistema Solar ha cautivado permanentemente la imaginación del hombre. Aunque antes de su descubrimiento se podía suponer la existencia de planetas orbitando otras estrellas no se tenía ninguna evidencia observacional, así que para la ciencia era como si no existiesen. Mejor dicho, ni existían ni dejaban de existir.
Fue sólo a partir de 1995 cuando esa idea empezó a ser una realidad. Ese año, Michel Mayor y Didier Queloz, de la Universidad de Ginebra, hallaron 51Peg b, el primer exoplaneta detectado que orbitaba una estrella de la Secuencia principal bastante parecida al Sol. Se valieron de un instrumento especialmente diseñado para la búsqueda, el espectrógrafo ELODIE, instalado en el Observatorio de Haute-Provence. El método utilizado fue el de la velocidad radial, el mismo que se utiliza para estudiar estrellas binarias o detectar agujeros negros. Consiste en analizar el desplazamiento de frecuencia que se produce en la luz emitida por la estrella debido al movimiento: cuando la estrella se acerca el desplazamiento es hacia el azul, hacia frecuencias más altas, y cuando se aleja, hacia el rojo, a frecuencias más bajas. El tirón gravitatorio del planeta sobre la estrella provoca este rítmico baile.
En realidad, 51Peg b no fue el primer exoplaneta revelado. Ya en 1992 se había descubierto un sistema múltiple con varios cuerpos de masa planetaria girando en torno a una estrella. Sin embargo, en aquel caso la estrella no pertenecía a la Secuencia Principal, sino que era una estrella de neutrones, el colapso extremadamente comprimido de una estrella muerta, y no se consideró exoplaneta.
Desde entonces se han detectado numerosos exoplanetas de características muy diferentes. Actualmente hay más de 700 conocidos y la lista aumenta casi cada día con nuevas incorporaciones aportadas por los proyectos “cazadores” de planetas. En lo que más se ha avanzado ha sido en la metodología utilizada: se han desarrollado sofisticadas técnicas observacionales con el fin de competir en la carrera por conseguir más hallazgos.
Aunque el método de la velocidad radial, con el que se encontraron los primeros exoplanetas, sigue siendo el que tiene más detecciones en su haber, empiezan a aportar también una cantidad significativa y creciente de ellas otras técnicas: tránsitos, microlente gravitatoria, astrometría o imagen directa. Entre ellas, la que mejores expectativas proporciona es la de los tránsitos, que consiste en medir la leve disminución de brillo que se observa en la estrella cuando su planeta pasa delante. Para poder hacerlo es necesario que el plano de la órbita del exoplaneta coincida con la dirección de observación. Esto parece poco probable, pero como hay un número muy elevado de exoplanetas, el número de ellos con tránsitos es estadísticamente elevado también. En el Sistema Solar asimismo se producen tránsitos: dos cada poco más de un siglo para Venus y unos trece por siglo en el caso de Mercurio. La ventaja del método de los tránsitos es que se repiten y, por tanto, se pueden observar sistemáticamente para mejorar los resultados o para estudiar variaciones de un tránsito a otro.
Propiedades de los exoplanetas
El camino para entender cómo se forma la gran variedad de sistemas planetarios encontrados pasa por crear una gran base de datos en la que los diferentes tipos estén bien caracterizados y representados. La existencia de planetas con un rango muy amplio de masas y radios y con distancias a su estrella central que van desde pocas centésimas hasta varias unidades astronómicas (la distancia media entre la Tierra y el Sol), crea un marco que permite establecer relaciones con parámetros como la metalicidad de la estrella o su edad.
Lo más sencillo que se puede estudiar es la distribución de exoplanetas en nuestro entorno (hasta ahora sólo se han encontrado estrellas con exoplanetas como máximo a distancias ligeramente superiores a 1.000 años luz). Exceptuando evidentemente el plano galáctico, no tienen una localización preferente en el cielo, es decir, en cualquier dirección que se observe se encuentra la misma densidad de estos cuerpos. Sin embargo, si nos fijamos en la distancia, parece haber una distribución definida a unos 100 años luz, con una caída abrupta en el número de planetas encontrados más allá de unos 500 años luz. Posiblemente esto sea debido a un sesgo observacional puesto que es más difícil encontrar exoplanetas alrededor de estrellas lejanas.
En la mayoría de los casos, los exoplanetas son gigantes y calientes, generalmente en etapas muy tempranas de formación. Tienen masas que van desde valores cercanos a los de la Tierra hasta varias veces la masa de Júpiter. En general, además, están muy cerca de su estrella, con una alta proporción de ellos a distancias extremadamente cortas, en órbitas que serían interiores a la de Mercurio. La excentricidad (una medida de cuánto se aleja la órbita de un círculo) es muy variable, aunque preferentemente toma valores moderados, por encima de 0,2 (la Tierra tiene 0,01; Marte 0,09 y sólo Mercurio llega a 0,2).
Si nos fijamos en la metalicidad se ve que las estrellas con exoplanetas conocidos son ricas en metales en comparación con las que no los tienen (la metalicidad es la abundancia de metales en relación al hidrógeno, generalmente medida con el hierro: los astrofísicos llamamos metales a todos los elementos de la tabla periódica más allá del helio), Por un lado, una mayor metalicidad parece aumentar la probabilidad de que una estrella tenga alrededor planetas gigantes. Pero también parece mucho más probable encontrar planetas pequeños alrededor de estrellas con alta metalicidad. Una posible explicación es que los ambientes ricos en hierro favorecerían la formación de planetas gigantes. Otra que la presencia de planetas haría aumentar la metalicidad de la estrella central, posiblemente por contaminación de la estrella al devorar alguno de sus planetas o por la mezcla que se produciría durante el proceso de formación estelar en un ambiente que debe ser rico en metales para dar lugar a un sistema planetario.
La mayor parte de la información que se conoce sobre las características de los exoplanetas se ha conseguido mediante el método de los tránsitos. Afinando mucho la comparación entre tránsitos consecutivos se pueden encontrar diferencias en el tiempo medio del tránsito o en su duración. De estas diferencias se puede extraer información acerca de las características orbitales del exoplaneta, como la elipticidad o la presencia de otros exoplanetas en el sistema. Éste es uno de los campos en los que más se está trabajando actualmente.
Finalmente, otro de los estudios que también se puede realizar con los exoplanetas en tránsito es la observación del eclipse secundario, cuando el planeta pasa por detrás de la estrella. En este caso, la disminución de luz es mucho menor; lo que se pierde es la emisión del exoplaneta. Evidentemente, en el visible este efecto es muy débil (para una estrella típica como el Sol y un planeta como Júpiter unas mil millones de veces más débil que el eclipse primario, cuando pasa por delante). Sin embargo, en el infrarrojo, donde comparativamente la estrella no es tan brillante, el efecto aumenta y es medible con telescopios en el espacio o, incluso, en tierra (en el infrarrojo medio, para el ejemplo anterior, es sólo unas 100 veces más débil). De esta manera se puede determinar la temperatura (casi como si se hiciera la observación directa del exoplaneta) y la excentricidad (por la desviación del tránsito secundario con respecto a la mitad del periodo).
¿Y la vida?
Queda mucho por hacer. Si el objetivo final es encontrar planetas como la Tierra alrededor de estrellas como el Sol y detectar en su atmósfera algo que nos haga pensar que allí hay vida, los pasos a dar son de gigante.
Los primeros ya se han andado. La búsqueda de exoplanetas con diferentes escenarios y características ha ayudado a crear modelos mejorados sobre la formación de sistemas planetarios que nos dan una idea más acertada de las condiciones en las que aparecen. Pero hay que aumentar mucho el número de exoplanetas para que las estadísticas sean completas. Además, es necesario solucionar los problemas del sesgo observacional a la hora de detectar planetas: fundamentalmente favorecen la detección de exoplanetas gigantes muy cercanos a su estrella. También es necesario encontrar planetas mucho más lejos de la vecindad solar para crear un marco de propiedades mucho más amplio y con un abanico de metalicidades mayor.
Ahora se empiezan a encontrar planetas con tamaños similares a la Tierra. Pero no hay suficientes ni están bien ubicados en la zona de habitabilidad de la estrella (básicamente el rango de distancias para el que el agua estaría en fase líquida). También se están empezando a detectar atmósferas en algunos exoplanetas, pero por ahora sólo en los gigantes muy próximos a la estrella y pensamos que esos no son adecuados para la vida. Para avanzar es imprescindible desarrollar instrumentación y telescopios con la capacidad de separar el planeta de su estrella y observar su atmósfera como si estuviese en nuestro Sistema Solar. Parece ciencia ficción, pero es posible si se trabaja en ello.
Como vemos, en astrofísica se puede hacer mucho todavía. Pero para la solución final del problema también hay que contribuir desde otros frentes (la Astrobiología es un claro ejemplo de ciencia multidisciplinar). Por ahora, entender qué es vida y cómo identificarla si la tenemos delante semeja ser el punto más desafiante. Parece sencillo, pero no lo es. No disponemos de un identificador inequívoco de la presencia de vida, es decir, algo que si está presente (o ausente) sólo pueda ser debido a ella. Ni siquiera lo tenemos para la vida que conocemos, la de la Tierra, así que mucho menos para una vida desconocida.
Si, además, como es mi caso, se dedica a su investigación, a caracterizarlos para saber cómo son, cómo se originaron y así poder compararlos con nuestro Sistema Solar con el fin de conocer mejor nuestra “casa”; sabe que con el descubrimiento del primer exoplaneta no finalizó la carrera, sino que comenzó, y que queda mucho por hacer hasta estar en condiciones de poder anunciar, si es que existe: “hemos encontrado vida fuera de la Tierra”.
Afortunadamente, quizá por las connotaciones sociales que tiene, la búsqueda y caracterización de exoplanetas es en la actualidad una de las líneas de la Astrofísica observacional con mayor empuje. Se piensa que sólo en nuestra Galaxia hay alrededor de mil millones de sistemas planetarios. Esto significa que hay muchos sitios donde mirar y que la tarea está apenas comenzando.
El interés de la investigación en este campo radica no sólo en la posibilidad de elucidar cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios en general, y nuestro Sistema Solar en particular, sino en el descubrimiento, mediante misiones espaciales, de planetas “tipo Tierra” o “telúricos”. Además, a más largo plazo, se conseguirá el análisis de sus atmósferas y, por tanto, la posibilidad de determinar si en alguno existe actividad biológica. Al menos está claro cuál debe ser el camino. Por otro lado, esta línea de investigación constituye una de las motivaciones científicas más importantes para el diseño de grandes telescopios terrestres (de clase diez metros y superiores) y su instrumentación. El trabajo complementario de los observatorios espaciales y terrestres producirá, sin duda, ciencia de gran calidad, cuyo impacto, no sólo científico también social, parece obvio.
La investigación de exoplanetas constituye también una pieza fundamental para comprender cómo se formó nuestro Sistema Solar y, por tanto, cómo es la evolución temprana de estrellas como el Sol. Pero, evidentemente, su fin último es encontrar uno similar a la Tierra e identificar la presencia de vida en él. Para llegar a ese momento todavía quedan muchos problemas que resolver. Hay que llenar muchos huecos cognitivos sobre el origen y evolución de estos cuerpos.
La carrera del descubrimiento
La existencia de otros mundos fuera de nuestro Sistema Solar ha cautivado permanentemente la imaginación del hombre. Aunque antes de su descubrimiento se podía suponer la existencia de planetas orbitando otras estrellas no se tenía ninguna evidencia observacional, así que para la ciencia era como si no existiesen. Mejor dicho, ni existían ni dejaban de existir.
Fue sólo a partir de 1995 cuando esa idea empezó a ser una realidad. Ese año, Michel Mayor y Didier Queloz, de la Universidad de Ginebra, hallaron 51Peg b, el primer exoplaneta detectado que orbitaba una estrella de la Secuencia principal bastante parecida al Sol. Se valieron de un instrumento especialmente diseñado para la búsqueda, el espectrógrafo ELODIE, instalado en el Observatorio de Haute-Provence. El método utilizado fue el de la velocidad radial, el mismo que se utiliza para estudiar estrellas binarias o detectar agujeros negros. Consiste en analizar el desplazamiento de frecuencia que se produce en la luz emitida por la estrella debido al movimiento: cuando la estrella se acerca el desplazamiento es hacia el azul, hacia frecuencias más altas, y cuando se aleja, hacia el rojo, a frecuencias más bajas. El tirón gravitatorio del planeta sobre la estrella provoca este rítmico baile.
En realidad, 51Peg b no fue el primer exoplaneta revelado. Ya en 1992 se había descubierto un sistema múltiple con varios cuerpos de masa planetaria girando en torno a una estrella. Sin embargo, en aquel caso la estrella no pertenecía a la Secuencia Principal, sino que era una estrella de neutrones, el colapso extremadamente comprimido de una estrella muerta, y no se consideró exoplaneta.
Desde entonces se han detectado numerosos exoplanetas de características muy diferentes. Actualmente hay más de 700 conocidos y la lista aumenta casi cada día con nuevas incorporaciones aportadas por los proyectos “cazadores” de planetas. En lo que más se ha avanzado ha sido en la metodología utilizada: se han desarrollado sofisticadas técnicas observacionales con el fin de competir en la carrera por conseguir más hallazgos.
Aunque el método de la velocidad radial, con el que se encontraron los primeros exoplanetas, sigue siendo el que tiene más detecciones en su haber, empiezan a aportar también una cantidad significativa y creciente de ellas otras técnicas: tránsitos, microlente gravitatoria, astrometría o imagen directa. Entre ellas, la que mejores expectativas proporciona es la de los tránsitos, que consiste en medir la leve disminución de brillo que se observa en la estrella cuando su planeta pasa delante. Para poder hacerlo es necesario que el plano de la órbita del exoplaneta coincida con la dirección de observación. Esto parece poco probable, pero como hay un número muy elevado de exoplanetas, el número de ellos con tránsitos es estadísticamente elevado también. En el Sistema Solar asimismo se producen tránsitos: dos cada poco más de un siglo para Venus y unos trece por siglo en el caso de Mercurio. La ventaja del método de los tránsitos es que se repiten y, por tanto, se pueden observar sistemáticamente para mejorar los resultados o para estudiar variaciones de un tránsito a otro.
Propiedades de los exoplanetas
El camino para entender cómo se forma la gran variedad de sistemas planetarios encontrados pasa por crear una gran base de datos en la que los diferentes tipos estén bien caracterizados y representados. La existencia de planetas con un rango muy amplio de masas y radios y con distancias a su estrella central que van desde pocas centésimas hasta varias unidades astronómicas (la distancia media entre la Tierra y el Sol), crea un marco que permite establecer relaciones con parámetros como la metalicidad de la estrella o su edad.
Lo más sencillo que se puede estudiar es la distribución de exoplanetas en nuestro entorno (hasta ahora sólo se han encontrado estrellas con exoplanetas como máximo a distancias ligeramente superiores a 1.000 años luz). Exceptuando evidentemente el plano galáctico, no tienen una localización preferente en el cielo, es decir, en cualquier dirección que se observe se encuentra la misma densidad de estos cuerpos. Sin embargo, si nos fijamos en la distancia, parece haber una distribución definida a unos 100 años luz, con una caída abrupta en el número de planetas encontrados más allá de unos 500 años luz. Posiblemente esto sea debido a un sesgo observacional puesto que es más difícil encontrar exoplanetas alrededor de estrellas lejanas.
En la mayoría de los casos, los exoplanetas son gigantes y calientes, generalmente en etapas muy tempranas de formación. Tienen masas que van desde valores cercanos a los de la Tierra hasta varias veces la masa de Júpiter. En general, además, están muy cerca de su estrella, con una alta proporción de ellos a distancias extremadamente cortas, en órbitas que serían interiores a la de Mercurio. La excentricidad (una medida de cuánto se aleja la órbita de un círculo) es muy variable, aunque preferentemente toma valores moderados, por encima de 0,2 (la Tierra tiene 0,01; Marte 0,09 y sólo Mercurio llega a 0,2).
Si nos fijamos en la metalicidad se ve que las estrellas con exoplanetas conocidos son ricas en metales en comparación con las que no los tienen (la metalicidad es la abundancia de metales en relación al hidrógeno, generalmente medida con el hierro: los astrofísicos llamamos metales a todos los elementos de la tabla periódica más allá del helio), Por un lado, una mayor metalicidad parece aumentar la probabilidad de que una estrella tenga alrededor planetas gigantes. Pero también parece mucho más probable encontrar planetas pequeños alrededor de estrellas con alta metalicidad. Una posible explicación es que los ambientes ricos en hierro favorecerían la formación de planetas gigantes. Otra que la presencia de planetas haría aumentar la metalicidad de la estrella central, posiblemente por contaminación de la estrella al devorar alguno de sus planetas o por la mezcla que se produciría durante el proceso de formación estelar en un ambiente que debe ser rico en metales para dar lugar a un sistema planetario.
La mayor parte de la información que se conoce sobre las características de los exoplanetas se ha conseguido mediante el método de los tránsitos. Afinando mucho la comparación entre tránsitos consecutivos se pueden encontrar diferencias en el tiempo medio del tránsito o en su duración. De estas diferencias se puede extraer información acerca de las características orbitales del exoplaneta, como la elipticidad o la presencia de otros exoplanetas en el sistema. Éste es uno de los campos en los que más se está trabajando actualmente.
Finalmente, otro de los estudios que también se puede realizar con los exoplanetas en tránsito es la observación del eclipse secundario, cuando el planeta pasa por detrás de la estrella. En este caso, la disminución de luz es mucho menor; lo que se pierde es la emisión del exoplaneta. Evidentemente, en el visible este efecto es muy débil (para una estrella típica como el Sol y un planeta como Júpiter unas mil millones de veces más débil que el eclipse primario, cuando pasa por delante). Sin embargo, en el infrarrojo, donde comparativamente la estrella no es tan brillante, el efecto aumenta y es medible con telescopios en el espacio o, incluso, en tierra (en el infrarrojo medio, para el ejemplo anterior, es sólo unas 100 veces más débil). De esta manera se puede determinar la temperatura (casi como si se hiciera la observación directa del exoplaneta) y la excentricidad (por la desviación del tránsito secundario con respecto a la mitad del periodo).
¿Y la vida?
Queda mucho por hacer. Si el objetivo final es encontrar planetas como la Tierra alrededor de estrellas como el Sol y detectar en su atmósfera algo que nos haga pensar que allí hay vida, los pasos a dar son de gigante.
Los primeros ya se han andado. La búsqueda de exoplanetas con diferentes escenarios y características ha ayudado a crear modelos mejorados sobre la formación de sistemas planetarios que nos dan una idea más acertada de las condiciones en las que aparecen. Pero hay que aumentar mucho el número de exoplanetas para que las estadísticas sean completas. Además, es necesario solucionar los problemas del sesgo observacional a la hora de detectar planetas: fundamentalmente favorecen la detección de exoplanetas gigantes muy cercanos a su estrella. También es necesario encontrar planetas mucho más lejos de la vecindad solar para crear un marco de propiedades mucho más amplio y con un abanico de metalicidades mayor.
Ahora se empiezan a encontrar planetas con tamaños similares a la Tierra. Pero no hay suficientes ni están bien ubicados en la zona de habitabilidad de la estrella (básicamente el rango de distancias para el que el agua estaría en fase líquida). También se están empezando a detectar atmósferas en algunos exoplanetas, pero por ahora sólo en los gigantes muy próximos a la estrella y pensamos que esos no son adecuados para la vida. Para avanzar es imprescindible desarrollar instrumentación y telescopios con la capacidad de separar el planeta de su estrella y observar su atmósfera como si estuviese en nuestro Sistema Solar. Parece ciencia ficción, pero es posible si se trabaja en ello.
Como vemos, en astrofísica se puede hacer mucho todavía. Pero para la solución final del problema también hay que contribuir desde otros frentes (la Astrobiología es un claro ejemplo de ciencia multidisciplinar). Por ahora, entender qué es vida y cómo identificarla si la tenemos delante semeja ser el punto más desafiante. Parece sencillo, pero no lo es. No disponemos de un identificador inequívoco de la presencia de vida, es decir, algo que si está presente (o ausente) sólo pueda ser debido a ella. Ni siquiera lo tenemos para la vida que conocemos, la de la Tierra, así que mucho menos para una vida desconocida.
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