Exoplanetas: mundos más allá de nuestro sistema solar

El exoplaneta más joven que se ha descubierto tiene menos de un millón de años y gira en torno a Coku Tau 4, una estrella a 420 años luz de distancia. Los astrónomos dedujeron la presencia del planeta desde un enorme agujero en el disco polvoriento que rodea la estrella. El agujero es 10 veces el tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del Sol y probablemente sea causado por el planeta que despeja un espacio en el polvo mientras orbita la estrella.

Crédito: NASA

Los exoplanetas son planetas más allá de nuestro propio sistema solar. Se han descubierto miles en las últimas dos décadas, principalmente con el telescopio espacial Kepler de la NASA. 

Estos mundos vienen en una gran variedad de tamaños y órbitas. Algunos son planetas gigantescos que se abrazan cerca de sus estrellas madre; otros son helados, algunos rocosos. La NASA y otras agencias están buscando un tipo especial de planeta: uno que sea del mismo tamaño que la Tierra, orbitando una estrella similar al Sol en la zona habitable.

La zona habitable es el rango de distancias desde una estrella donde la temperatura de un planeta permite océanos de agua líquida, críticos para la vida en la Tierra. La primera definición de la zona se basó en el equilibrio térmico simple, pero los cálculos actuales de la zona habitable incluyen muchos otros factores, incluido el efecto invernadero de la atmósfera de un planeta. Esto hace que los límites de una zona habitable sean "borrosos".  

Los astrónomos anunciaron en agosto de 2016 que pueden haber encontrado un  planeta que orbita Proxima Centauri . El nuevo mundo, conocido como Proxima b, es aproximadamente 1.3 veces más masivo que la Tierra, lo que sugiere que el exoplaneta es un mundo rocoso, según los investigadores. El planeta también se encuentra en la zona habitable de la estrella  , a solo 4.7 millones de millas (7.5 millones de kilómetros) de su estrella anfitriona. Completa una órbita cada 11.2 días terrestres. Como resultado, es probable que el exoplaneta esté bloqueado por mareas, lo que significa que siempre muestra la misma cara a su estrella anfitriona, al igual que la luna muestra solo una cara (el lado más cercano) a la Tierra.

D

escubrimientos tempranos

Si bien los exoplanetas no se confirmaron hasta la década de 1990, durante años los astrónomos se convencieron de que estaban allí. Eso no fue solo una ilusión, sino por lo lento que gira nuestro propio sol y otras estrellas como él, dijo el astrofísico de la Universidad de Columbia Británica Jaymie Matthews a Space.com. Matthews, el científico de la misión del observador ocasional del telescopio exoplaneta MOST (Microvariabilidad y Oscilaciones de STars), estuvo involucrado en algunos de los primeros descubrimientos de exoplanetas.

Los astrónomos tenían una historia de origen para nuestro sistema solar. En pocas palabras, una nube giratoria de gas y polvo (llamada nebulosa protosolar) colapsó bajo su propia gravedad y formó el sol y los planetas. A medida que la nube colapsaba, la conservación del momento angular significaba que el futuro sol debería haber girado más y más rápido. Pero, mientras el sol contiene el 99.8 por ciento de la masa del sistema solar, los planetas tienen el 96 por ciento del momento angular. Los astrónomos se preguntaron por qué el sol gira tan lentamente.

El joven sol habría tenido un campo magnético muy fuerte, cuyas líneas de fuerza se extendían hacia el disco de gas arremolinado del que se formarían los planetas. Estas líneas de campo se conectaron con las partículas cargadas en el gas y actuaron como anclas, ralentizando el giro del sol en formación y haciendo girar el gas que eventualmente se convertiría en los planetas. La mayoría de las estrellas, como el sol, giran lentamente, por lo que los astrónomos infirieron que se produjo el mismo "frenado magnético" para ellos, lo que significa que la formación del planeta debe haber ocurrido para ellos. La implicación: los planetas deben ser comunes alrededor de estrellas similares al sol.

Por esta razón y otras, los astrónomos al principio restringieron su búsqueda de exoplanetas a estrellas similares al sol, pero los primeros dos descubrimientos fueron alrededor de un púlsar (cadáver que gira rápidamente de una estrella que murió como una supernova) llamado PSR 1257 + 12, en 1992. El primer descubrimiento confirmado de un mundo en órbita alrededor de una estrella similar al sol, en 1995, fue 51 Pegasi b, un planeta de masa de Júpiter 20 veces más cercano a su sol que nosotros al nuestro. Eso fue una sorpresa. Pero otra rareza apareció siete años antes que insinuaba la riqueza de los exoplanetas por venir.

Un equipo canadiense descubrió un planeta de tamaño Júpiter alrededor de Gamma Cephei en 1988, pero debido a que su órbita era mucho más pequeña que la de Júpiter, los científicos no reclamaron una detección planetaria definitiva. "No esperábamos planetas como ese. Era lo suficientemente diferente de un planeta en nuestro propio sistema solar que fueron cautelosos ", dijo Matthews.  

E

xplosión de datos

La mayoría de los primeros descubrimientos de exoplanetas fueron enormes gigantes gaseosos del tamaño de Júpiter (o más grandes) que orbitan cerca de sus estrellas madre. Esto se debe a que los astrónomos confiaban en la técnica de velocidad radial, que mide la "oscilación" de una estrella cuando un planeta o planetas la orbitan. Estos planetas grandes se cierran y producen un efecto correspondientemente grande en su estrella madre, lo que causa un bamboleo más fácil de detectar.

Antes de la era de los descubrimientos de exoplanetas, los instrumentos solo podían medir movimientos estelares hasta un kilómetro por segundo, demasiado imprecisos para detectar un bamboleo debido a un planeta. Ahora, algunos instrumentos pueden medir velocidades de hasta un centímetro por segundo, según Matthews. "En parte debido a una mejor instrumentación, pero también porque los astrónomos ahora tienen más experiencia en burlar las señales sutiles de los datos".

Hoy en día, hay más de 1.000 exoplanetas confirmados descubiertos por un único telescopio: el telescopio espacial Kepler, que llegó a su órbita en 2009 y cazó planetas habitables durante cuatro años. Kepler usa una técnica llamada método de "tránsito", que mide cuánto se atenúa la luz de una estrella cuando un planeta pasa frente a ella.

Kepler ha revelado una cornucopia de diferentes tipos de planetas. Además de los gigantes gaseosos y  los planetas terrestres , ha ayudado a definir una clase completamente nueva conocida como " súper-Tierras ": planetas que están entre el tamaño de la Tierra y Neptuno. Algunos de estos se encuentran en las zonas habitables de sus estrellas, pero los astrobiólogos están volviendo a la mesa de dibujo para considerar cómo podría desarrollarse la vida en tales mundos.

En 2014, los astrónomos de Kepler (incluido el antiguo estudiante de Matthews, Jason Rowe) dieron a conocer un método de "verificación por multiplicidad" que debería aumentar la velocidad a la que los astrónomos promueven planetas candidatos a planetas confirmados. La técnica se basa en la estabilidad orbital: muchos tránsitos de una estrella que ocurren con períodos cortos solo pueden ser debidos a planetas en órbitas pequeñas, ya que las estrellas que eclipsan multiplicadas que podrían imitar se expulsarían gravitatoriamente del sistema en solo unos pocos millones de años.

Mientras que los satélites Kepler (y French CoRoT) cazadores de planetas han terminado sus misiones originales, los científicos aún están extrayendo los datos de los descubrimientos, y hay más por venir. MOST todavía está en funcionamiento, y el TESS de la NASA (satélite de estudio de exoplanetas en tránsito), el CHEOPS suizo (caracterizando el satélite ExOPlanets) y las misiones PLATO de la ESA pronto recogerán la búsqueda de tránsito desde el espacio. Desde el suelo, el espectrógrafo HARPS en el telescopio de 3.6 metros La Silla de 3.6 metros del Observatorio Europeo Austral encabeza la búsqueda de bamboleo Doppler, pero hay muchos otros telescopios en la búsqueda. 

Un ejemplo demasiado descuidado, dijo Matthews, es el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA. Debido a que es sensible en el infrarrojo, puede detectar el perfil de temperatura de un exoplaneta y proporcionar información sobre su atmósfera.

Un diagrama que muestra los tamaños relativos de los nuevos planetas alienígenas descubiertos por Kepler, en comparación con la Tierra y Júpiter.

Crédito: NASA / Tim Pyle

Exoplanetas notables

Con casi 2.000 para elegir, es difícil reducir algunos. Los pequeños planetas sólidos en la zona habitable se destacan automáticamente, pero Matthews destacó otros cinco exoplanetas que han ampliado nuestra perspectiva sobre cómo se forman y evolucionan los planetas:

• 51 Pegasi b:  Como se mencionó anteriormente, este fue el primer planeta confirmado alrededor de una estrella similar al sol. La mitad de la masa de Júpiter, orbita alrededor de su sol aproximadamente a la distancia de Mercurio de nuestro Sol. 51 Pegasi b está tan cerca de su estrella madre que es probable que esté bloqueado por marea, lo que significa que un lado siempre está de frente a la estrella.
• HD 209458 b:  Este fue el primer planeta encontrado (en 1999) para transitar su estrella (aunque fue descubierto por la técnica de oscilación Doppler) y en los años posteriores se acumularon más descubrimientos. Fue el primer planeta fuera del sistema solar para el cual pudimos determinar aspectos de su atmósfera, incluido el perfil de temperatura y la falta de nubes. (Matthews participó en algunas de las observaciones usando MOST).
• 55 Cancri e:  Esta súper-Tierra orbita una estrella que es lo suficientemente brillante como para verse a simple vista, lo que significa que los astrónomos pueden estudiar el sistema con más detalle que casi cualquier otro. Su "año" dura solo 17 horas y 41 minutos (se reconoce cuando MOST miró el sistema durante dos semanas en 2011). Los teóricos especulan que el planeta puede ser rico en carbono, con un núcleo de diamante.
• HD 80606 b:  En el momento de su descubrimiento en 2001, mantuvo el récord como el exoplaneta más excéntrico jamás descubierto. Es posible que su órbita impar (que es similar al cometa de Halley alrededor del sol) pueda deberse a la influencia de otra estrella. Su órbita extrema haría que el entorno del planeta fuera extremadamente variable.
• WASP-33b: este planeta fue descubierto en 2011 y tiene una especie de capa de "protección solar", una estratosfera, que absorbe parte de la luz visible y ultravioleta de su estrella madre. Este planeta no solo orbita su estrella "hacia atrás", sino que también activa las vibraciones en la estrella, vistas por el satélite MOST.