El fin del antropocentrismo bien vale la mitad de un Nobel

Breve historia del lugar de la humanidad en el universo

El que es probablemente el primer tratado filosófico escrito, denominado Sobre la Naturaleza, corresponde a Anaximandro de Mileto (ca. 610 AEC – 547 AEC). Entre otras muchas ideas novedosas, posiblemente propuso la existencia de infinidad de mundos¹:

“Anaximandro… dice que el ápeiron es la causa entera de la generación y destrucción de todo, a partir de lo cual —dice— se segregan los cielos y en general todos los mundos, que son infinitos.”

Sin embargo, esta multiplicidad no fue aceptada de manera generalizada y la idea dominante fue un geocentrismo esencialmente antropocentrista, incluso tras la revolución copernicana del siglo XVI  y que desplazó la Tierra de su supuesto centro. Y la condena de Giordano Bruno.

Esa perspectiva cambió a partir del siglo XVIII. Isaac Newton, en un escolio o apéndice a la segunda edición, publicada en 1713, de su tratado Principia Mathematica, avanzó que las estrellas podrían tener sistemas planetarios similares al Sol. En el siglo XIX hubo varios intentos de detectar esa diversidad de planetas utilizando el método astrométrico, el bamboleo que debía inducir sobre la estrella, ya que ambos objetos, según la Ley de la Gravitación Universal de Newton, orbitan alrededor de un centro de gravedad común. Desafortunadamente estos intentos no consiguieron identificar ningún verdadero planeta, debido tanto a la lejanía de las estrellas, lo que impone minúsculos desplazamientos aparente en la bóveda celeste, como a las limitaciones técnicas.

Un siglo después, con instrumentación mucho más precisa, varios autores publicaron trabajos describiendo la presencia de posibles compañeros planetarios orbitando alrededor de estrellas cercanas, como el sistema binario 61 Cyg, a 11 años luz, que tendría un posible compañero de 17 masas de Júpiter orbitando con un periodo de 4.9 años (anunciado en 1944), o de la estrella de Barnard, localizada a 5.9 años luz y que contendría dos planetas de masa similar a Júpiter orbitando en periodos de 12 y 26 años (trabajos publicados en 1963 y 1969). La existencia de estos sistemas planetarios ha sido rechazada en análisis ulteriores.

Como alternativa al método astrométrico, Otto Struve propuso en 1952 el uso de las variaciones de la velocidad radial debidas al efecto Doppler (ver la figura 1), o el eclipse causado por el tránsito por delante del disco estelar, y postuló la existencia de planetas completamente distintos a los tipos presentes en el Sistema Solar: masivos y calientes debido a la proximidad a su estrella. Estas dos técnicas poseen ventajas e inconvenientes: la velocidad radial solo proporciona un límite inferior a la masa del planeta, al no conocer la inclinación de la órbita respecto al plano celeste, mientras que los tránsitos planetarios facilitan la relación de radios entre el planeta y su estrella, y la inclinación de la órbita, pero no sus masas. Por si fuera poco, la probabilidad de que la orientación de la órbita del planeta sea la adecuada para que se vea el fenómeno es muy baja. Afortunadamente, la combinación de ambas, cuando es posible, aporta una solución completa y permite describir de manera adecuada la órbita y las características genéricas del planeta.

En las décadas siguientes a la propuesta de Struve se realizaron búsquedas de planetas análogos a los del Sistema Solar  con la técnica de la velocidad radial, usando espectrógrafos de precisión, lo que requería programas que duraban años, lo que añadía complicaciones adicionales debido a la dificultad de mantener estable el instrumento durante largos periodos de tiempo.

En el año 1988, el equipo liderado por Bruce Campbell encontró, en medidas tomadas a lo largo de seis años, que la estrella Gamma Cephei A tenía una variabilidad en su curva de velocidad radial, posiblemente debido a la presencia de una compañera de masa reducida (artículo aquí). La naturaleza planetaria de este candidato, en una órbita de 2.48 años, fue aparentemente confirmada en 2003 por A.P. Hatzes y sus colaboradores. Un análisis más completo posterior, que incluye astrometría para derivar la inclinación de la órbita, ha establecido que la masa de la compañera se encuentra en el rango 5.0 – 26.9 masas de Júpiter y que su distancia a la estrella (el denominado semi-eje mayor) sería de 2.05 unidades astronómicas. Estos valores dejan la posibilidad abierta a que la compañera sea bien un verdadero planeta o una enana marrón, un objeto de apariencia estelar que no tiene suficiente masa como para alcanzar la presión y la temperatura necesarias en su interior para iniciar la fusión termonuclear que convierte el hidrógeno en helio, generando la energía que emite una estrella.

Un año más tarde, D. Latham y otros colaboradores, incluyendo a M. Mayor, presentaron evidencias de la presencia de un compañero poco masivo alrededor de HD114762, una estrella algo más caliente que el Sol. Debido a que utilizaron el método de la velocidad radial solo pudieron derivar un valor mínimo de la masa, que equivaldría a 11 veces la de Júpiter. Los mismos autores avisaban que: “… la reducida amplitud de la velocidad radial implica que la masa de la compañera podría ser tan baja como 0.011 masas solares, equivalentes a 11 masas de Júpiter. Esto lleva a sugerir que la compañera es probablemente una enana marrón, y puede ser incluso un planeta gigante. Sin embargo, dado que la inclinación de la orbita respecto a la línea de visión es desconocida, la masa de la compañera puede ser considerablemente más grande que este límite inferior.” De hecho, un estudio de 2019, mediante el uso de datos astrométricos del satélite europeo Gaia, ha permitido a F. Kiefer afirmar que la compañera tendría una masa de 0.11 masas solares, 10 veces el límite inferior de Latham, y sería, por tanto, una estrella de tipo espectral tardío.

Otro candidato que fue confirmado años más tarde, en 2006, fue el que realizaron en 1993 A. Hatzes y W. Cochran estudiando a Pollux, una estrella gigante y brillante. Aunque ellos especularon con la posible presencia de un planeta, en su estudio concluyeron que las señales observadas eran debidas a la pulsación de la estrella. Ahora sabemos que, en efecto, se trata de un planeta.

Utilizando una técnica completamente distinta, A. Wolszczan y D. Frail anunciaron en 1992 el descubrimiento de dos planetas de masa similar a la Tierra orbitando alrededor del púlsar PSR 1257+12. Su metodología consistió en cronometrar de manera muy precisa las variaciones de las señales, el denominado en inglés pulsar timing, que nos llegan desde estrellas de neutrones, que son remanentes de la muerte de una estrella de masa superior al Sol, cuando está orientadas de manera adecuada. Este fue el primer descubrimiento confirmado de un planeta fuera del Sistema Solar. Sin embargo, su exotismo, al orbitar alrededor de un objeto estelar extremo, dejó sin responder la pregunta principal: ¿es el Sistema Solar único? La respuesta se encontraba en nuevos desarrollos instrumentales.

Técnica e instrumentos: los espectrógrafos de alta resolución y las curvas de velocidad radial

Un telescopio refractor o de espejos tiene varios focos, puntos en los que se concentra la luz y en donde se pueden localizar distintos tipos de instrumentos. Los diseñados para tomar imágenes se suelen colocar en el foco primario, delante del espejo principal, mientras que los espectrómetros se sitúan tras el Cassegrain, detrás, o en los Nasmyth, laterales, o en el Coudé, remoto y al que se llega tras varias reflexiones de la luz en espejos convenientemente situados.

El desarrollo de modernos espectrógrafos² ha requerido múltiples pasos. Isaac Newton descompuso la luz solar en sus elementos primordiales, su espectro, utilizando un prisma, en 1666. Ya en 1802, William Wollaston halló unas líneas oscuras en el espectro del Sol, características que fueron cartografiadas en más detalle por Joseph von Fraunhofer en 1815. Estas líneas son producidas por diferentes elementos químicos en la superficie de nuestra estrella. El primer espectro detallado del Sol fue dibujado por Anders Ångström en 1868. A partir del análisis de las líneas presentes en él nació la espectroscopía, termino acuñado por William Huggins en 1870, y la astrofísica como ciencia, mientras que Henry Draper, que creó el termino espectrógrafo, tomó el primer espectro en soporte fotográfico dos años más tarde. Las líneas espectrales permiten derivar abundancias químicas y conocer las condiciones físicas del medio que las absorbe o las emite.

Un elemento clave de todo espectrógrafo es el elemento dispersor de la luz. En el caso del experimento original de Newton, su prisma. La red de dispersión tipo echelle fue diseñada por George Harrison en 1949 y fue usada con datos solares en 1951, pero no fue hasta mediados de los años 60 que aparecen los primeros espectrógrafos estelares. Un primer echelle fue utilizado por Daniel Schroeder en un instrumento situado en el foco Cassegrein del telescopio de 0.91 m de la Universidad de Wisconsin en 1967. Sin embargo, la principal limitación en esta configuración es que, debido al gran tamaño del espectrógrafo, aparecen flexiones al mover el telescopio, deformaciones que se traducen en la imposibilidad de calibrar de manera muy precisa en longitud de onda, haciendo irrealizable la determinación de velocidades radiales al límite requerido para las búsquedas de planetas.

En 1979, A. Baranne, M. Mayor y J. L. Poncet diseñaron y construyeron CORAVEL, un espectrofotómetro basado en una red echelle que proporcionó una gran dispersión, un amplio rango espectral y una alta eficiencia. El error en la medida de la velocidad radial en un espectro es proporcional al inverso tanto de la relación entre la señal verdadera inducida por el planeta y ruido que aparece en el sistema como de la resolución espectral, y también depende del inverso de la raíz cuadrada del rango espectral en el que se tomen las medidas. Así, con estas características, consiguieron obtener medidas de velocidad radial de gran precisión.

Las principales innovaciones de los años 80 fueron la introducción de los CCDs (dispositivo de carga acoplada, por sus sigla en inglés) y la adopción de una fibra óptica conectada al foco Cassegrain, lo que permitió situar el espectrógrafo en una localización sin flexiones, incluso dentro de una cámara estabilizada térmicamente. El trabajo pionero fue realizado por el equipo de Laurence Ramsey en 1984. La fibra óptica tiene un beneficio adicional, pues recombina la luz, evitando los efectos de los errores de guiado del telescopio, característica que es crucial a la hora de obtener medidas precisas.

CORAVEL fue el punto de partida para desarrollar un nuevo espectrógrafo con red echelle, ELODIE, que vio su primera luz en el telescopio de 1,93 m del Observatoire de Haute-Provence en 1993 (Figura 2). Entre sus novedades, se encontraba el uso de una fibra óptica para alimentar el instrumento y el uso de detectores CCD, innovaciones esenciales para alcanzar unas mejores prestaciones. Tras el comisionado del instrumento y poco más de un año de toma de datos, se produjo el anuncio del primer planeta descubierto por el método de la curva de velocidad radial debida al efecto Doppler por Michel Mayor y Didier Queloz3.

A 15.5 parsecs (50,5 años luz) se encuentra la estrella 51 Peg, un análogo solar, de similar temperatura efectiva, pero algo más masiva y vieja que el sol. El planeta identificado por Mayor y Queloz tiene un periodo de 4.23 días y valor del parámetro K, la semi-amplitud de la velocidad, es 55.65 m/s. Ello permite deducir una masa mínima de 0.47 masas de Júpiter, un semi-eje mayor de 0.05 unidades astronómicas y se estima que su temperatura sería de unos 1300 K. Así, 51 Peg b no encuentra paralelo en los planetas del Sistema Solar.

Al descubrimiento de este planeta le han seguido más de 4000 en los últimos 25 años, mediante el uso de diferentes técnicas e instrumentos (lista actualizada aquí). Mayor y Queloz impulsaron el desarrollo del espectrógrafo HARPS, en funcionamiento en el telescopio de 3.6m de La Silla, en Chile, que alcanza precisiones por debajo de 1 m/s y que desde el inicio de sus operaciones en 2003 ha descubierto más de 400 planetas, algunos de gran importancia astrobiológica por tener características similares a la Tierra o encontrarse en la zona de habitabilidad.

Un complejo y sorprendente puzzle: la diversidad exoplanetaria

Los resultados de Mayor, Queloz y sus colaboradores durante las últimas décadas, junto con los obtenidos por otros grupos, han establecido de manera patente que existe una extraordinaria diversidad de planetas, en muchos casos no representados en el Sistema Solar.

Existen múltiples técnicas para descubrir y estudiar planetas fuera del Sistema Solar. Una representación gráfica y muy prolija, debida a M. Perryman⁴, aparece en la Figura 3. Se ha confirmado la existencia de 4122 planetas que orbitan alrededor de 3063 estrellas. De ellos, 862 por el método de la velocidad radial. El uso de las distintas técnicas, pero especialmente la velocidad radial y los tránsitos planetarios, que permiten determinar masas y radios, ha permitido clasificarlos en grupos característicos, según las masas y las composiciones químicas: gigantes de gas (fundamentalmente hidrógeno y helio) o de hielos (de agua, metano o amoniaco), tipo júpiter pero calientes por estar cerca de la estrella, mini-neptunos, super-tierras y planetas rocosos (Figura 4).

Dos grandes desafíos se presentan por delante: la búsqueda y completa caracterización de verdaderos análogos terrestres que orbiten dentro de la zona de habitabilidad de la estrella, en donde en principio la existencia de agua líquida es posible; y la obtención de espectroscopía precisa durante los tránsitos primarios y secundarios, con objeto de determinar las características de las atmósferas. El objetivo último es la detección de actividad biológica Nueva instrumentación en órbita, como el satélite Cheops, de la Agencia Espacial Europea, que tiene como coordinador científico de la misión a Queloz (lanzamiento previsto en diciembre) y del nuevo telescopio espacial James Webb Stape Telescope (en 2021), o espectrógrafos muy estables en telescopios terrestres, como es el caso de CARMENES en el observatorio de Calar Alto, o ESPRESSO, en el VLT de Chile, permitirá seguir expandiendo nuestro conocimiento y situando nuevas piezas en el puzle de la diversidad exoplanetaria, lo que facilitará comprender cómo se forman y cómo evolucionan.

Con motivo de la concesión del Nobel, Michel Mayor ha dicho: “Es una fantasía pensar que podemos ir hasta allí [los exoplanetas]”, declarándose firme impulsor del estudio mediante telescopios en tierra y en órbita (ver este artículo al respecto en OpenMind). Ambos han recibido conjuntamente los premios BBVA Fronteras del Conocimiento 2011 y el Wolf de Física de 2017. Además, la labor de Mayor también ha sido reconocida con la medalla de oro de la Royal Society en 2015, entre otros premios. El premio Nobel corona ahora unas brillantes carreras.

Tras 2500 años de especulación racional sobre la posición de la Tierra y los seres humanos en el universo, podemos afirmar que ahora poseemos una imagen clara de cómo apareció el cosmos, qué hay en él y qué propiedades tiene. Más aún, sabemos que existen miríadas de planetas, con propiedades extraordinariamente diversas, en nuestra galaxia. Por tanto, los avances impulsados por Mayor y Queloz han contribuido de manera muy significativa a ayudar a despejar, de una vez por todas, el antropocentrismo. Después de todo, como afirmó Carl Sagan⁵, la astronomía es una experiencia que construye carácter y proporcionan humildad.

Notas

1. PS. PLUTARCO, Strom., 2: Diels-Kranz, fragmento 12 A 10. Simplicio, matemático bizantino del siglo VI EC, afirmó: “Pues los que supusieron que los mundos eran infinitos en número, como los seguidores de Anaximandro, Leucipo y Demócrito y, después de ellos, los de Epicuro, supusieron que nacían y perecían durante un tiempo infinito, naciendo siempre unos y pereciendo otros; y afirmaban que el movimiento era eterno”, SIMPLICIO, Fis. 1121, 5: Diels-Kranz, fragmento A17.

2. John Hearnshaw, Astronomical Spectrographs and their History, Cambridge University Press, 2009

3. M. Mayor, D. Queloz, “A Jupiter-mass companion to a solar-type star”, Nature, 378 (6555): 355–359, (1995).

4. M. Perryman, The Exoplanet Handbook, Cambridge University Press, segunda edición (2011, 2018).

5. It has been said that astronomy is a humbling and character-building experience. There is perhaps no better demonstration of the folly of human conceits than this distant image of our tiny world. To me, it underscores our responsibility to deal more kindly with one another and to preserve and cherish the pale blue dot, the only home we’ve ever known.”,Carl Sagan, Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space.

David Barrado Navascués

Profesor de Investigación de OPI

Director científico Unidad María de Maeztu Centro de Astrobiología