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Un saludo a todos, esta semana continuaré con el tema de los exoplanetas, en mi anterior publicación, se discutió la definición de lo que es un exoplaneta y posteriormente se presentó un conjunto de tipos que describen los posibles exoplanetas, tanto los descubiertos, como los hipotéticos. En esta parte de la publicación se describirán los instrumentos usados para descubrir estos exoplanetas, las técnicas usadas para ello y finalmente se discutirá la posibilidad de vida o de condiciones para sustentarla, de algunos exoplanetas descubiertos hasta la fecha.

¿Qué técnicas de detección se utilizan para encontrarlos?

Cuando en 1992 Aleksander Wolszczan, descubrió tres exoplanetas orbitando el pulsar Lich, lo hizo mediante la detección de variaciones en la frecuencia de sus pulsaciones, detección que realizó usando el radio telescopio de Arecibo en Puerto Rico, definiendo con esto el primer método con efectividad comprobada en la detección de exoplanetas. Desde ese entonces y con el avance en las tecnologías de adquisición y procesamiento de imágenes, se han desarrollado nuevas técnicas, algunas más efectivas que otras, que han permitido la detección indirecta e incluso directa de más de 4000 exoplanetas. Las siguientes son las técnicas más empleadas en la búsqueda de planetas extrasolares.

Velocidades Radiales

El método de velocidades radiales se fundamenta en el tirón gravitacional que ocasiona un planeta de gran tamaño, sobre la estrella en la que orbita, provocando que el centro de gravedad del sistema se desplace fuera del centro de la estrella, ocasionando que la estrella, desde nuestro punto de vista en el sistema solar, oscile acercándose y alejándose de nosotros.

Este movimiento oscilatorio, puede ser detectado, gracias al efecto Doppler, como un desplazamiento al rojo en las líneas espectrales de la estrella, cuando se aleja de nosotros, y al azul cuando se aproxima.

Para la detección de este tipo de variaciones se emplean espectrógrafo, dispositivos que descomponen la luz proveniente de la estrella en su espectro. En un espectrógrafo la luz de una estrella que es adquirida mediante un telescopio, es transformada en un haz estrecho para luego ser pasada a través de un prisma o una red de difracción, el resultado es un conjunto de líneas espectrales en diferentes longitudes de onda (colores si de luz visible se trata), el espectro de la estrella es registrado por un CCD¹ situado en el ocular del dispositivo. En la búsqueda de planetas extra solares su usa principalmente un tipo de espectrógrafos denominados Echelle (del francés escalera), en el cual la red de difracción tiene un patrón en escalera y una menor densidad de ranuras, lo que le da mayor eficiencia.

La técnica de las velocidades radiales ha resultado especialmente eficaz en la detección de planetas de gran tamaño que orbitan en las proximidades de estrella, el cual es el caso de los Júpiter Calientes, la eficacia demostrada por esta técnica ha resultado tal que, este tipo de planetas es del que un mayor número ha sido detectado y una buena parte han sido hallados mediante esta técnica. El primer planeta detectado mediante este procedimiento fue 51 Pegasi b un planeta del tipo Júpiter Caliente..

Tránsitos

Si el plano orbital del sistema planetario es tal que, en su trayectoria, los planetas se cruzan en la línea de visión que desde la tierra se tiene de la estrella, es decir puede observarse el transito de este frente a la estrella, el brillo de la estrella se verá atenuado por el paso del planeta.

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Mientras mayor sea el tamaño del planeta más se verá atenuado el brillo de la estrella, actualmente, gracias a los sensores CCD de altísima resolución y a dispositivos fotométricos de gran precisión, es posible detectar este cambio en la intensidad, incluso usando telescopios de pequeña apertura como los del experimento TRAPPIST.

Esta técnica ha permitido la detección de planetas con diámetros similares al de Marte e incluso de objetos menores cuya existencia aún está por ser confirmada. Sin embargo, su principal desventaja es que está limitada a aquellos sistemas cuyo plano orbital permita observar el transito planetario desde la Tierra. Junto a la velocidad radial son las más usadas y las que han llevado al mayor número de detecciones confirmadas. Uno de los dispositivos dedicado a la búsqueda de exoplanetas más exitoso el telescopio espacial Kepler, hoy fuera de servicio, empleaba esta técnica y durante su vida útil llego detectar la increíble suma de 974 exoplanetas confirmados y 3601 candidatos.

Astrometría

La astrometría es el subcampo de la astronomía que se orienta a la medición de la posición y desplazamiento de los objetos celestes, y tal como en el caso de la detección por velocidad radial, las oscilaciones de las estrellas pueden ser en este caso medidas por observación directa y no por el efecto Doppler, la detección este método, requiere de instrumentos de observación de gran apertura que sean capaces de recoger la suficiente luz estelar así como dispositivos y software de imagen digital de alta precisión. Hasta la fecha no se ha confirmado definitivamente la detección de ningún planeta usando astrometría, un fuerte candidato a serlo es Tau Ceti e, el cual tiene el agregado de ser un posible planeta habitable. Sin embargo, la astrometría ha sido de gran utilidad elaborado modelos que describen los movimientos de algunos exoplanetas, previamente detectado usando otras técnicas.

Medida de los Pulsos Radiales de un Pulsar

Los pulsares tienen la cualidad de emitir pulsos de radio con gran regularidad, estos pulsos pueden ser detectados mediante radiotelescopios. Los pulsares son estrellas de neutrones que giran a grandes velocidades, del orden de cientos de revoluciones por segundo, en este proceso emiten un haz de ondas de radio por sus polos, los cuales están inclinados respecto a su eje de rotación, en consecuencia este haz de ondas dibuja un cono que se prolonga a través del espacio, cuando un punto de este cono se cruza con la posición de la tierra se detecta como un pulso de radio, estas pulsaciones suelen ser de tal regularidad que pueden usarse como patrones de medición del tiempo.

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Cuando un planeta lo suficientemente masivo gira alrededor de un pulsar, genera un tirón gravitacional que desplaza el centro de gravedad del sistema haciendo que ambos giren en torno a éste, lo cual puede ser medido por la variación en la regularidad de los pulsos, pues el punto de coincidencia del haz de ondas con la posición de la tierra se ve desplazado por la oscilación del pulsar producto de la influencia del planeta.

Este fue el método que permitió la detección del primer sistema planetario extra solar confirmado, formado por tres planetas en órbita alrededor del pulsar Lich.

Microlente Gravitacional

Un lente gravitacional es el resultado del paso de la luz a través de la curvatura en el espacio tiempo causada por un objeto masivo, como una estrella, un planeta, un agujero negro, etc. El efecto que esta curvatura tiene sobre la luz es similar a lo que haría un lente, desviándola de su camino y magnificando los objetos que están tras él.

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Un planeta orbitando alrededor de una estrella podría tener el efecto de alterar el camino de los rayos de luz de una segunda estrella oculta tras la primera, de una forma diferente a la que se podría prever si el planeta no estuviera ahí. Esta diferencia en la curvatura y magnificación de los rayos de luz, sirve para delatar la presencia del planeta y, además, mediante las ecuaciones de la relatividad general, permiten calcular la relación de la masa de la estrella y el planeta y la separación entre ambos.

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La desventaja de esta técnica es que los microlentes gravitacionales son fenómenos de corta duración, de algunas horas a pocos días y observar una nueva ocurrencia requeriría de un monitoreo casi continuo del par planeta estrella, por eso es necesario el uso de otras técnicas de detección que permitan la caracterización del planeta.

Perturbaciones en Discos de Polvo

Este fenómeno se puede apreciar en estrellas jóvenes con discos de polvo y gas a su alrededor, la presencia de un planeta en ellos ocasiona el arrastre de material por el planeta para luego ser regresado a al disco de polvo, también puede asociarse la presencia de huecos o bandas en el disco de polvo motivado a la presencia de un planeta gigante.

Variación en el Tiempo de Tránsito

Este es un método derivado del de tránsito, consiste en medir las variaciones en los tiempos que un planeta tarda en hacer su tránsito, lo cual permite revelar la existencia de otros planetas orbitando la estrella. Esta variación en la velocidad de transito es el resultado de la influencia gravitacional que ejercen unos planetas sobre los otros, los cual se hace patente sobre todo en los sistemas estelares con planetas muy próximos entre ellos, como es el caso de los planetas que conforman el sistema TRAPPIST-1.

Binaria Eclipsante

Este método consiste en la detección de las irregularidades en los ciclos orbitales de las estrellas binarias eclipsantes, un tipo de binarias, en las que desde la perspectiva de la tierra una de las estrellas oculta o eclipsa a la otra con cierta regularidad, si un planeta lo suficientemente masivo órbita alrededor de un par de binarias eclipsantes, su gravedad ocasionará perturbaciones en el ciclo de los eclipses de las binarias, que delataría la presencia del planeta.

Detección Visual Directa

Como su nombre lo indica, consiste en el uso de dispositivos ópticos para visualizar directamente los planetas que orbitan una estrella, bien sea en el espectro visible o en el infrarrojo; obviamente se requiere de telescopios de gran apertura, y dispositivos CCD de gran resolución. Han sido muy pocos los planetas detectados por esté método, el primero de ellos 2M1207b, un planeta gigante orbitando una enana marrón, en este caso la radiación infrarroja emitida por la estrella era lo suficientemente baja como para no opacar la emitida por el planeta de reciente formación y con una temperatura de 2500 °K.

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El principal inconveniente con este método es que, la luz emitida por una estrella, tanto en el espectro visible como en el infrarrojo, es miles de millones de veces superior a la reflejada por un planeta, por lo que a menos que el planeta tenga un albedo lo suficientemente grande y este alejado de la estrella, no podría ser diferenciado y aun así, se requiere de cámaras coronográficas muy avanzadas como para poder hacerla diferenciación.

¿Qué instrumentos se usan para detectar los exoplanetas?

Desde la confirmación del descubrimiento de 3 planetas rocosos orbitando al pulsar Lich, realizado por Aleksander Wolszczan en 1992, usando el Radio Telescopio de Arecibo en Puerto Rico, se han desarrollado varios dispositivos especializados en la búsqueda de exoplanetas y existen otros tantos proyectos en desarrollo, la siguiente tabla resume algunos de los experimentos operativos, la técnica de búsqueda usada y ubicación, de algunos de los principales dispositivos especializados en la búsqueda de planetas extrasolares.

¿Cuáles son los exoplanetas más prometedores para la vida?

En realidad, no existe mecanismos que permitan detectar vida en un objeto tan lejano como un planeta extra solar, el único mecanismo que permitiría tener certidumbre sobre esto, sería la detección de las huellas en el espectro radioeléctrico dejadas por alguna forma de vida inteligente que al igual que nosotros haya dejado su impronta en forma de emisiones de radio, sin embargo, esta posibilidad es sumamente remota. En consecuencia, lo único posible es hacer suposiciones respecto a las posibilidades que, de acuerdo a la posición, masa y posible composición, de un exoplaneta, éste albergue condiciones para sustentar la vida tal como la conocemos.

Es de hacer notar que en este apartado se considerarán como con condiciones para la vida, aquellos planetas extrasolares que hipotéticamente posean en su superficie agua líquida y una atmosfera densa, que le den condiciones similares a las de la tierra.

Si bien, en una publicación anterior les hable sobre las posibilidades de vida en algunos de los planetas del sistema TRAPPIST-1, estos no son necesariamente los mundos con las condiciones más adecuadas para la vida, para empezar se encuentran muy cercanos a su estrella lo que los expone al continuo bombardeo de partículas de alta energía, que podrían hacerlos incompatibles para la vida, además la proximidad entre ellos y el acoplamiento de marea que tienen con su estrella los expone a intensas fuerzas de marea que podría hacerlos sísmicamente muy activos y en los casos más próximos a la estrella posiblemente carecer de una corteza sólida.

Otro planeta del que se llego a hablar con optimismo e incluso se han propuesto programas para su exploración tanto con telescopios especializados con el propósito de ver su superficie, como con micro sondas, es Próxima Centauri b, el cual además de ser el exoplaneta más próximo al sistema solar, también estaría en la zona de habitabilidad de su estrella. Sin embargo, Próxima Centauri es una estrella fulgurante, emite frecuentes erupciones de plasma coronal, que podrían barrer con una posible atmósfera y mantener estéril la superficie del planeta.

Los exoplanetas con condiciones de habitabilidad se clasifican según su similitud con la Tierra, el único planeta habitado que conocemos, en consecuencia, la idea de hablar de planetas habitables es equivalente a referirnos a planetas que sean perecidos al nuestro, y en consecuencia con posibilidad de albergar formas vida que se asemejen a lo que ya conocemos de nuestro planeta.

Se ha creado una medida para ponderar la similitud con la Tierra de otros planetas, es el Índice de Similitud con la Tierra (IST), el IST, es una medida calculada en base a cuatro factores, el radio, densidad, velocidad de escape y temperatura superficial de un planeta, si bien esta magnitud está pensada para ser usada con planetas, también puede ser aplicada a satélites, planetas enanos y otros objetos subplanetarios. El IST se pondera en valores que van del 0 al 1, siendo 1, lo más parecido a la Tierra.

Es importante destacar que para el cálculo de IST no se toman en cuenta factores como la presencia de agua, la química atmosférica, la composición de la superficie del planeta o la presencia de un núcleo de hierro sólido y un campo magnético, que son también, elementos indispensables para sustentar la vida como la conocemos.

Según su IST, los 20 planetas confirmados que son potencialmente más parecidos a la tierra son:

Exoplaneta	IST	Tipo de planeta	Tipo de estrella madre	Ubicación	Distacia (años luz)
Kepler-438b	0,88	Terrestre	Enana Naranja	Lyra	472,9
Luyten b	0,86	Terrestre	Enana Roja	Can Menor	12,2
Ross 128b	0,86	Terrestre	Enana Roja	Virgo	11
Kepler-296e	0,85	Supertierra	Enana Naranja	Draco	669
Gliese 667 Cc	0,84	Supertierra	Enana Roja	Escorpio	22,7
Kepler-442b	0,84	Supertierra	Enana Naranja	Lyra	1115,5
Kepler-452b	0.83	Minineptuno	Enana Amarilla	Cygnus	1402,49
Kepler-62e	0,83	Minineptuno	Enana Naranja	Lyra	1200,27
Gliese 832c	0,81	Minineptuno	Enana Roja	Grulla	16,1
Kepler-1544b	0,8	Minineptuno	Enana Naranja	Cygnus	1138,28
Kepler-283c	0,79	Minineptuno	Enana Naranja	Cygnus	1741,7
Kepler-1410b	0,78	Minineptuno	Enana Naranja	Lyra	1197,01
Tau Ceti e	0,78	Terrestre	Enana Amarilla	Cetus	11,9
Gliese 180c	0,77	Supertierra	Enana Roja	Eridanus	38,1
Gliese 667Cf	0,77	Supertierra	Enana Roja	Escorpion	22,7
Kepler-1638b	0,76	Supertierra	Enana Amarilla	Cygnus	2866,9
Wolf 1061c	0,76	Supertierra	Enana Roja	Ofiuco	14
Gliese 180b	0,75	Supertierra	Enana Roja	Eridanus	38,1
HD 40307g	0,74	Minineptuno	Enana Naranja	Pictor	42
Kepler-705b	0,74	Minineptuno	Enana Roja	Cygnus	818,65

^{Exoplanetas con mayor indice de habitabilidad, tabla modificiada del original en. Fuente}

Dentro de esta lista cabe destacar a Kepler 442b como uno de los mayores candidatos a poseer condiciones de habitabilidad, entre otras razones por su relación masa y radio, la posición que ocupa dentro de la zona de habitabilidad de la estrella, la similitud de la estrella con nuestro sol y la cantidad de radiación UV que recibe de ésta.

Otros exoplanetas destacables son Luyten b y Ross 128b, en ambos casos se trata de planetas de tipo terrestre, que orbitan estrellas enanas rojas, si bien la zona de habitabilidad en este tipo de estrellas esta muy cercana, en ambos casos las estrellas son relativamente estables, a diferencia de Próxima Centauri, que tiene frecuentes eyecciones de plasma coronal. En el caso de Luyten b, la estrella es de rotación muy lenta, incluso es posible que no rote, lo que la hace muy poco activa, lo que combinado con las características del planeta lo hacen un buen candidato para ser habitable.

^Fuente

En el caso de Ross 125b, la estrella es más activa, aunque por ser una estrella de evolución muy avanzada, su edad se calcula en 500 mil millones de años, su actividad es mucho menor que la de Próxima Centauri, sin embargo, presenta un elemento de gran interés, pues en mayo de 2017 el Observatorio de Arecibo recogió durante 10 minutos una extraña señal de radio proveniente de la dirección de esta estrella, a pasar de haber sido confirmada, no se pudieron obtener más señales de esta fuente en observaciones posteriores, por lo que se atribuye su origen a interferencia de algún tipo.

Finalmente, otro candidato que puede destacarse es TRAPPIST-1e, aun cuando el sistema TRAPPIST-1, está en su totalidad en órbitas muy próximas a su estrella y tiene acoplamiento de marea, TRAPPIST-1 es una estrella relativamente tranquila, se considera de evolución avanzada por lo que es poco activa, sin embargo, por su proximidad a la estrella los planetas estarían sometidos a un intenso bombardeo de partículas del viento solar y de radiación UV. Lo que hace particularmente interesante a TRAPPIST-1e, es que, recientemente se la propuesto la posibilidad de que este planeta del sistema, que está en medio de la zona de habitabilidad, posea un grueso núcleo de hierro, lo que la haría candidato a poseer un campo magnético que podría hacerlo resistente a las partículas del viento estelar y en consecuencia candidato a conservar su atmósfera; lo que unido a otras características del planeta también lo hacen candidato para ser habitable, aunque posiblemente se trataría de un planeta oceánico por la cantidad de agua que se cree podría contener.

Con esta relación de planetas posiblemente habitables, concluye este post sobre los planetas extrasolares o exoplanetas, espero que haya sido de su agrado y estoy atento a sus comentarios y observaciones. Gracias por su atención.

Notas

1. CCD: es un tipo de sensor dotado con diminutas celdas fotoeléctricas que permite registrar las imágenes que luego son almacenadas en la memoria de las cámaras fotográficas.

Referencias

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