Un futuro en las estrellas (I): búsqueda y detección de exoplanetas

Un hecho común comentado desde hace tiempo en diferentes foros científicos es que nos encontramos a las puertas de una nueva era de exploración espacial. Como digna heredera de los avances alcanzados en la segunda mitad del siglo XX, los avances tecnológicos en múltiples campos como la detección remota o la computación son los catalizadores de esta nueva aventura.

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Algunos de los exoplanetas más interesantes descubiertos por la misión Kepler

La exploración ha sido parte crucial en la historia de la humanidad, especialmente desde finales del XV y alcanzando su máxima expresión durante la Era de los Descubrimientos y posteriormente la Ilustración. De la misma forma que durante estos periodos intentamos alcanzar y conocer cada uno de los rincones de nuestro planeta, los científicos actuales pretenden explorar y conocer nuestro Sistema Solar, así como los astros que se encuentra más allá de la Nube de Oort.

Por encima del descubrimiento de nuevas estrellas ajenas a nuestro propio Sol, los científicos están especialmente interesados en sus sistemas estelares asociados. Las razones de ello son claras: conocimiento, recursos y vida.

Los exoplanetas actualmente ocupan el mayor interés de las investigaciones, especialmente por la mayor facilidad de detección de estos con los medios tecnológicos actuales, por delante de otros astros secundarios como los satélites.

En esta primera entrega, pretendo acercar el concepto de exoplaneta así como las técnicas empleadas para su detección. En próximas entregas abordaré las misiones como Kepler, así como algunos de los exoplanetas más interesantes por sus características, composición o potencial para la vida.

¿Que son los exoplanetas?

Los exoplanetas son astros que orbitan una estrella diferente al Sol. Fue en 1995 cuando se descubrió el primer exoplaneta por los astrónomos Mayor M. y Queloz D. gracias al empleo de métodos indirectos. Este primer éxito catalizó el descubrimiento de muchos otros planetas orbitando diferentes estrellas de nuestra galaxia.

Desde esta fecha y hasta 2016, el número de exoplanetas detectados asciende a 4696, reduciéndose a 3264 aquellos realmente confirmados. Los registros de estos astros presentan diferentes grados de información que ofrecen una primera descripción del entorno que ofrecen en su superficie, así como su composición y viabilidad para la vida. Entre las características de interés, dos de ellas son especialmente importantes: su masa y su distancia astronómica a la estrella. Existen otras propiedades que serán abordadas en futuras entregas.

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Muestra de planetas descubiertos por el programa Kepler hasta la fecha de acuerdo a su masa y distancia orbital (fuente: misión KEPLER)

Tanto la masa como la distancia orbital de los planetas guardan una curiosa relación con la naturaleza de la mayor parte de los exoplanetas detectados hasta la fecha: se tratan de gigantes gaseosos, similares a los planetas exteriores del Sistema Solar, como Júpiter o Saturno. La mayor parte de la masa de estos planetas es fluida, formada por gases o gases líquidos supercomprimidos, presentando un núcleo metálico ctónico. Los exoplanetas con estas características suelen tener masas muy superiores a Júpiter junto con periodos orbitales relativamente cortos, hecho por el cuál se les conoce como “júpiteres calientes”.

La razón de la mayor proporción de exoplanetas de esta tipología radica en una mayor facilidad de detección a través de los métodos empleados en su descubrimiento. De hecho, tal es la similitud con nuestros planetas exteriores, que la medida de la masa planetaria se basa en una comparación con la masa de Júpiter, que se toma como referencia.

Detectando otros mundos

La búsqueda de cuerpos celestes es tan antigua como el interés del ser humano en el cielo nocturno. Ya sea mediante el uso de sus propios ojos o el empleo de los primeros telescopios desde inicios del XVII, la detección directa ha sido la técnica principal para detectar y catalogar astros.

Sin embargo, el débil resplandor de un planeta en comparación con el de su estrella madre hace prácticamente imposible utilizar la detección directa en la búsqueda de exoplanetas sin una ventaja técnica adicional.

Es por ello que los llamados métodos indirectos han ido cobrando fuerza desde hace años:

1 – Velocidad radial

Esta metodología se basa en la relación entre la velocidad orbital del planeta y el efecto Doppler. De acuerdo con la ley de gravitación, de la misma forma que la estrella ejerce una fuerza orbital sobre el planeta, el propio planeta ejerce una fuerza orbital sobre la estrella, haciéndola girar sobre el centro de masa del sistema. La oscilación se detecta a través de sutiles cambios en la radiación electromagnética según la estrella “se acerca” o “se aleja”. Es el método más empleado desde los 90 pero, dado que la fuerza orbital está relacionada con la masa del planeta, es especialmente sensible a los gigantes gaseosos.

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2 – El tránsito planetario

Existe una interesante relación entre esta metodología y los eclipses solares. Como es sabido, un eclipse solar supone la reducción de la luz que nos llega debida a la obstrucción de la Luna en la dirección de iluminación. Esta situación temporal perdura hasta la salida del satélite de la línea de iluminación. De forma análoga, cuando un exoplaneta que orbita su estrella se interpone en la dirección de iluminación, se genera una reducción temporal de la intensidad radiativa que recibe el detector. La detección fotométrica de estos mínimos radiativos y periódicos demuestra la existencia de un exoplaneta.

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3 – Astrometría

La astrometría se encuentra relacionada con las metodologías radiales. Se basan en el cálculo de las variaciones oscilatorias que se producen durante el movimiento rotacional sobre el centro de masa del sistema. Pese a que se trata de variaciones muy pequeñas, el método tuvo éxito en su aplicación en el telescopio Hubble.

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4 – Polarimetría

Se basa en la detección de la luz polarizada reflejada por la atmósfera de un planeta en el caso de que contase con ella.

5 – Variaciones temporales

Es una ampliación del método de tránsito en el que es posible derivar la existencia de otro planeta a partir de las variaciones fotométricas del original.

6 – Microlentes gravitacionales

Cuando se da la circunstancia de que los campos gravitacionales del exoplaneta y la estrella se alinean de tal forma que focalizan la luz de ésta en la dirección del detector, es posible utilizar este aumento en la intensidad lumínica para detectar la existencia del planeta. Las lentes gravitacionales han sido empleadas de forma exitosa en la detección de otros elementos astronómicos, como las galaxias. Pese a que su aplicación en la detección de exoplanetas está más que documentada, adolece de la naturaleza circunstancial de la configuración estelar que origina el máximo energético para la detección.

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7 – Púlsares

Los púlsares son estrellas de neutrones de radiación muy intensa cuya emisión se produce en intervalos cortos y regulares. Es posible inferir la existencia de un astro si se observan alteraciones en la ratio de emisión del púlsar, y por ende, la existencia de exoplanetas en sus inmediaciones.

Una lista que sigue aumentando

La aparición de estas técnicas de detección indirectas como complemento a las técnicas directas de observación mediante radiotelescopios espaciales y terrestres ha propiciado un aumento exponencial en el número de exoplanetas descubiertos especialmente en la última década. Si bien la tendencia ha sido incremental hasta 2013 como muestra la figura, a partir de 2014 el número detectado de estos astros se ha disparado hasta más de 900 por año.

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Número de exoplanetas descubiertos por año y método
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Imagen interferométrica de lentes gravitacionales
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Imagen directa de Betha Pictoris B mediante eliminación por interferometría de la iluminación de Bheta Pictoris.
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Fuente: Deviantart, Martin Vargic (Link)

Pese a la utilidad de las metodologías indirectas, la detección directa sigue ofreciendo información más completa de estos planetas, información crucial para potenciar la exploración en mayor profundidad de posibles candidatos para futuras misiones. El avance tecnológico actual y futuro permitirá solventar las limitaciones presentes, ofreciendo posibilidades infinitas en la exploración espacial. De este modo, sistemas de observación directa más complejos apoyados por las metodologías indirectas garantizarán un conocimiento más completo de los astros descubiertos. Como ejemplo final de esta situación, sería la posibilidad de detectar exoplanetas con características más próximas a los planetas interiores, como la Tierra o Marte, planetas que se encuentran dentro de los márgenes de habitabilidad establecidos.

Federico Federico Piñuela

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