La epopeya exoplanetaria: planetas gigantes, planetas rocosos

Esta semana, a través de la Fundación madri+d, David Barrado y Jorge Lillo, del Centro de Astrobiología. CSIC-INTA , comparten con OpenMind uno de los temas más espectaculares de la astrofísica del último siglo: la búsqueda de exotierras. ¿Qué son los exoplanetas, y por qué se han convertido en una prioridad para los científicos del cielo?

Si el principio del siglo XX fue la época dorada para la física fundamental, y tuvo como protagonista a la Cuántica, en este principio de centuria las estrellas con exoplanetas brillan, nunca mejor dicho, con luz propia.

Desde que se detectasen los primeros exoplanetas a mediados de los noventa, este campo científico ha avanzado enormemente. Se han confirmado ya más de 800 planetas orbitando estrellas muy lejanas a nuestro Sistema Solar. Y esto nos está permitiendo entender la inmensa variedad de la fauna planetaria, los posibles escenarios de formación, sus tamaños y sus masas. Más aún, en algunos casos ya estamos estudiando sus atmósferas, incluyendo la composición química. En la mayoría de los casos, se trata de planetas gigantes, esencialmente gaseosos o formados por hielos. Los análogos en el Sistema Solar son Júpiter y Saturno, por un lado, y Neptuno y Urano, por otro. El siguiente paso es el estudio de planetas rocosos, similares a Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Y lo que se puede denominar el grial exoplanetario: la zona de habitabilidad, en la que existe la posibilidad de encontrar agua en forma gaseosa, sólida y, lo que es más excitante, líquida, lo que nos sugiere la posibilidad de encontrar vida. Es una escalera de conocimiento, en la que cada peldaño ofrece nuevos datos, al igual que nuevas incógnitas.

Ya se conocen un gran número de planetas gaseosos, de masa superior a Júpiter y generalmente muy calientes. Esto es lógico, pues son los más fáciles de detectar ya que, aunque no podamos verlos, las señales indirectas que dejan al observar sus estrellas son claras. Conforme este campo fue creciendo y la tecnología comenzó a desarrollarse con telescopios espaciales como CoRoT o instrumentos muy precisos en tierra como HARPS, se fueron descubriendo planetas más y más pequeños. Esta carrera científica y tecnológica tenía un doble objetivo: por un lado, desvelar las arquitecturas exoplanetarias (los diferentes tipos de sistemas planetarios que se encuentra ahí fuera), y, por otro, la detección de planetas semejantes al nuestro, tanto en tamaño como en condiciones atmosféricas y de habitabilidad. Es decir, queríamos buscar exotierras.

Con esta idea en mente, la NASA lanzó al espacio en 2009 el telescopio espacial Kepler, diseñado específicamente para ser capaz de identificar planetas tipo Tierra orbitando alrededor de estrellas como nuestro Sol en órbitas que permitiesen la existencia de agua líquida en su superficie. Desde entonces, este telescopio apunta única y exclusivamente a una pequeña región del firmamento, tomando imágenes cada 30 minutos de alrededor de 150.000 estrellas. De esta forma, midiendo de manera exquisita las variaciones en el brillo de cada una de las estrellas, se pueden detectar objetos que, al pasar por delante de la estrella (como ocurre en los eclipses de Sol), la oculten parcialmente y produzcan estos descensos de luminosidad. Este es el llamado método de los tránsitos. Y es exactamente lo mismo que se observa cuando Mercurio o Venus se proyectan sobre el disco solar. A efectos prácticos no se nota, seguirá siendo de día, debido a que, comparado con el Sol, Venus y Mercurio son muy pequeños. Pero cuando se mide con la instrumentación adecuada, se aprecia una disminución del brillo de nuestra estrella. Con los exoplanetas se procede de manera equivalente y, dependiendo de cuán grande sea esa disminución y de cuánto dure, podemos obtener parámetros críticos del planeta como su radio, el periodo de su órbita o la distancia a la que está de su estrella.

La precisión del telescopio espacial Kepler es tal que puede detectar disminuciones en el brillo de una estrella del orden de 10 partes por millón. Es decir, sería capaz de detectar, a una distancia de 30 kilómetros, una mosca posada en una de las ventanas del emblemático edificio Empire State. Con esta precisión, los datos de Kepler revelan la existencia de cientos de candidatos a planeta con tamaños semejantes al de la Tierra. De hecho, en diciembre de 2011 se anunció la confirmación del planeta Kepler-22b, una súper-Tierra en la zona de habitabilidad de su estrella que parecía ser una gigantesca bola de agua. Desde entonces, el equipo de Kepler ha podido confirmar varios planetas del tamaño de la Tierra.

Sin embargo, la confirmación de que esa disminución de brillo es realmente producida por un planeta requiere la determinación de su masa, puesto que existen diferentes configuraciones estelares que pueden mimetizar la señal producida por dicho planeta.Y la masa sólo se puede determinar, principalmente, por 2 técnicas: el método de velocidad radial y las medidas astrométricas (pequeñas variaciones de la posición de la estrella en el plano del cielo). Ambos métodos miden el bamboleo de una estrella debido a la atracción gravitatoria que el planeta ejerce sobre ella. Es por ello que, cuanto más pequeño (en realidad, menos masivo) es el planeta, más difícil es detectarlo y, por tanto, poder confirmarlo.

El 20 de Febrero de 2013, un conjunto internacional de científicos liderados por el Dr. Thomas Barclays en el cual participan los autores de este artículo, anunció la validación del planeta más pequeño conocido hasta la fecha. En realidad, dicho planeta se encuentra en un sistema formado por 3 planetas que orbitan alrededor de una estrella algo menor que nuestro Sol llamada Kepler-37. El planeta más alejado de su estrella (Kepler-37d) es una súper-Tierra; el siguiente más cercano (Kepler-37c) tiene un tamaño similar, aunque un poco menor, que nuestra Tierra; y el más cercano (Kepler-37b, tiene un tamaño inferior al de Mercurio y muy similar al de nuestra Luna. Los tres planetas tienen órbitas demasiado cercanas a su estrella como para poder albergar vida en sus superficies (al menos tal y como la conocemos). Las temperaturas superficiales son tan altas que el agua no podría existir en forma líquida.

La parte española del equipo ha sido la encargada de obtener imágenes de muy alta resolución de la estrella anfitriona con el objetivo de descartar otras posibles configuraciones estelares que pudieran mimetizar la señal producida por el planeta. Para ello, han empleado las capacidades instrumentales del Observatorio Hispano-Alemán de Calar Alto (Almería) y, en particular, el telescopio de 2,2 metros de diámetro allí situado. El instrumento empleado se llama AstraLuxy emplea una técnica denominada lucky-imaging que obtiene decenas de imágenes por segundo de la estrella con el objetivo de detectar posibles objetos más débiles cercanos a Kepler-37. Con esta técnica se obtienen imágenes de calidad similar a las que obtiene el telescopio espacial Hubble. Los resultados de este estudio son de gran utilidad para, posteriormente, analizar, con la ayuda de un programa informático llamado BLENDER, las probabilidades de que la naturaleza del objeto que produce el tránsito observado sea, en realidad, planetaria.

La detección de Kepler-37b lleva al límite las capacidades de detección del telescopio espacial Kepler (el descenso de luminosidad provocado en la estrella es tan solo de 20 partes por millón). Pero, además, abre las puertas a la detección de planetas enanos o incluso lunas. Como ya se ha comentado, se han encontrado numerosos planetas gigantes y, algunos de ellos, en la zona de habitabilidad. Sin embargo, dada su naturaleza gaseosa se han descartado como candidatos para albergar vida. La detección de planetas de tamaño lunar (como Kepler-37b) abre una nueva puerta, permitiendo detectar posibles lunas que orbitarían estos sistemas gaseosos (de manera similar a los satélites Europa, Io, Calisto a Ganímedes –de tamaño superior a Mercurio- o alrededor de Júpiter, o Titán en el caso de Saturno), que sí podrían tener las condiciones necesarias para contener agua líquida en su superficie o su subsuelo. Este, se cree, es el caso de algunas de las lunas de los gigantes gaseosos del Sistema Solar como, por ejemplo, Europa o Enceladus (lunas de Júpiter y Saturno, respectivamente) que podrían contener océanos de agua líquida bajo sus superficies heladas.

Si hace tan sólo unos 20 años era impensable la detección siquiera de objetos de masa planetaria, hace 10 años era difícil afirmar si seríamos capaces de detectar planetas tipo Tierra y ni se nos planteaba la detección de planetas menores que los del Sistema Solar, ¿cuáles serán los siguientes logros de la ciencia en el campo exoplanetario? Hace tan solo un año se descubrió el primer planeta del tamaño de la Tierra y ahora somos capaces de detectar planetas de tamaño lunar. El final de la escalera se aproxima: un planeta rocoso con océanos de agua. Después de todo, los planetas del Sistema Solar no están solos y, tal vez, el hallazgo de un gemelo de la Tierra, en cuanto a condiciones y habitabilidad, no esté tan lejos.

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David Barrado
Centro de Astrobiología. CSIC-INTA
Jorge Lillo
Centro de Astrobiología. CSIC-INTA