Técnicas para descubrir exoplanetas

De vez en cuando los medios de comunicación atraen nuestra atención con el descubrimiento de un nuevo planeta extrasolar, surgen entonces preguntas como: ¿son habituales los planetas extrasolares? ¿Como se descubren? ¿Porqué tienen tanto interés los científicos en el descubrimiento de otros planetas? ¿Son similares a la Tierra?

En primer lugar indicar que se denomina exoplaneta o planeta extra solar a aquellos planetas que se encuentran fuera de nuestro sistema solar. Aunque es posible que existan planetas aislados en nuestra galaxia, todos los que se conocen giran alrededor de una estrella. Para denominarlos se emplea el número de catálogo de la estrella seguido de una letra minúscula, una "b" para el primer planeta descubierto en una estrella, una "c" para el segundo y así sucesivamente. La letra se asigna por orden de descubrimiento y por tanto no tiene relación con la proximidad del planeta a la estrella. Por ejemplo HD189733b, el número corresponde al número de la estrella en el catálogo Henry Draper y la "b" indica que es el primer planeta descubierto alrededor de esa estrella. En nuestra galaxia hay más de cien mil millones de estrellas. Se cree que la mayoría de las estrellas no nacen aisladas, lo hacen en sistemas de dos o más estrellas, o rodeadas de un sistema planetario, por lo que en principio hay millones de candidatas para encontrar exoplanetas. En los catálogos de estrellas próximas al Sol más de la mitad son dobles, grupos de dos estrellas que se hallan ligadas por la atracción gravitatoria mutua. En principio esta frecuencia se debe dar en el resto de la galaxia. La estrella más próxima al Sol, Alfa Centauri es un sistema de tres estrellas girando todas en torno a un centro común.

Algunos autores aumentan hasta un 75% las estrellas dobles y múltiples. Parece que es bastante normal que el disco de gas y polvo que da origen a una estrella contenga suficiente materia para crear dos o más. En la estrella más próxima a nosotros, Próxima Centaruri, se ha hallado un exoplaneta, si en la estrella más próxima se encuentra un exoplaneta, puede ser una casualidad, pero refuerza la tesis de que deben haber millones. Hasta 1995 la única estrella con planetas conocidos era el Sol y el sistema planetario que habitamos. En ese año se descubrió el primer planeta girando alrededor de otra estrella, fue en 51 Pegasi(1).

 

Exoplanetas conocidos-métodos de detección

Método

Descubiertos

Sistemas único

Sistemas múltiples

Velocidad radial

880

648

156

Tiempo

41

35

5

Microlentes

105

99

4

Imagen

134

102

4

Tránsito

2982

2240

484

Astrometría

10

1

0

TTV

11

10

1

Otros

6

5

1

Desde entonces, hasta enero de 2020, se han descubierto 4168 exoplanetas. En la actualidad no hay construido ningún telescopio capaz de fotografiar el disco de una estrella, están tan lejos que solo se ven como un punto sin dimensiones. Entonces ¿como se descubren los exoplanetas? Es evidente que si no se ve el disco de la estrella más difícil aún es ver el del planeta.

Podemos agrupar los métodos para descubrir exoplanetas en dos clases: Directo e indirectos, en los primeros se detecta al exoplaneta, en los segundos se deduce por su influencia sobre la estrella.

Método directo

Imagen directa Consiste en obtener una imagen del planeta a través del telescopio. Es un método muy difícil por que se necesita la imagen del planeta que brilla muchísimo menos que la estrella. Júpiter brilla la billonésima que el sol. Además la distancia entre el planeta y la estrella es muy pequeña en comparación con la distancia entre la estrella y la Tierra. Se plantean dos problemas, la inmensa diferencia de brillo y la pequeña distancia entre ambos. Una forma de reducir la diferencia en el brillo es fotografiarlos en la banda de los rayos infrarrojos, especialmente en las primeras etapas de la formación del planeta su superficie está muy caliente por lo que su brillo superficial es mucho mayor. El segundo problemas se aborda de dos formas diferentes, por un lado utilizando sistemas de óptica adaptativa, los cuales reducen sensiblemente los efectos de la turbulencia atmosférica con lo que las imágenes tienden a ser puntos y no discos, lo que permite separar mejor la imagen de ambos astros. También se utiliza un accesorio conocido como coronógrafo, el cual oculta la luz de la estrella facilitando que destaque el planeta como un punto brillante.

El primero lo detectó el Very Large Telescope del (European Southern Observatory) mediante un sistema con óptica adaptativa. Dada las características del método se podrán descubrir planetas de gran tamaño que orbiten a gran distancia de la estrella.

Métodos indirectos

Observar directamente al planeta es harto complicado, en general se observan variaciones en la luminosidad y/o en el movimiento de la estrella. Se engloban aquí varios métodos con diferentes eficacias:

Tránsito: Los exoplanetas orbitan alrededor de una estrella, si se tiene la suerte de que el planeta, visto desde la Tierra, cruza por delante de la estrella, durante el tiempo que pasa por delante oculta ligeramente a la estrella, lo que produce una pequeñísima disminución de su brillo. En general la variación producida es del orden de algunas centésimas de magnitud o menor. La variación del brillo da información adicional sobre el tamaño de la estrella, del planeta, la distancia a la que se mueve, etc. Si se conoce el diámetro de la estrella por otro método, con el periodo y el tiempo de transito se puede determinar la distancia entre la estrella y el planeta. El espectro de la estrella en los instantes de comienzo y fin del tránsito dan información sobre la atmósfera del planeta.

Velocidad Radial Otra opción es detectar los movimientos de la estrella. Habitualmente decimos que, por ejemplo, la Tierra gira alrededor del Sol, lo cual no es exactamente cierto. Recordemos la imagen del lanzador de martillo, dentro de su red de protección vemos que el lanzador hace girar la pesa, pero si nos fijamos observamos que el atleta no está girando erguido, si no que también está arqueado. El verdadero eje de giro pasa por el ombligo del atleta, en tanto el resto del cuerpo se arquea en sentido contrario para compensar la fuerza ejercida por el martillo sobre él. Si el martillo fuese transparente, o tan pequeño que no lo viésemos, podríamos detectar su existencia por el arqueo del cuerpo. En la foto inserta, además la posición del pelo de la lanzadora muestra claramente que ella también sufre los efectos de la fuerza centgrífuga. "El lanzador de martillo gira alrededor del centro común de masas." Igual le sucede a la Tierra con la Luna, o al Sol con los planetas. Dada la gran diferencia de masas existente entre el Sol y la Tierra, el movimiento de la Tierra es muchísimo más evidente que el del Sol, pero este también se mueve. Un observador muy alejado, que no viese la Tierra, podría detectar su existencia por el movimiento del Sol. Cuando la Tierra se acercase al observador el Sol se alejaría y viceversa. Y, ¿Como se detecta ese alejamiento-acercamiento?. El efecto Doppler hace que cuando una fuente luminosa se aleja del observador el color de su luz parece más rojo, y cuando se acerca más azul. El fenómeno es el mismo que se percibe cuando un automóvil se aproxima, su sonido parece más agudo y cuando se aleja más grave. Detectando esas variaciones de color en las estrellas se puede inferir que debe haber un cuerpo girando a su alrededor. La estrella también muestra un pequeño movimiento de giro.

Microlentes Este método reside en una de las características del espacio enunciadas por la Teoría de la Relatividad General, la cual dice que la masa curva el espacio. Los rayos luminosos que pasan muy próximos a una masa considerable experimentan cierta rotación entorno al astro masivo, rodeándola. Cuando la luz de una distante estrella pasa junto a otra más próxima la luz de aquella rodea a esta generando un efecto de lente que aumenta el brillo de la estrella más lejana. El paso produce un destello que puede durar alrededor de un mes, después del cual no habrá otra oportunidad de detección. Cuando la estrella próxima tiene un planeta girando a su alrededor se producen variaciones en el brillo que delatan su presencia. El método parece extremadamente inverosímil, pero la gran cantidad de estrellas observables hace que por este método se hallan descubierto más de un centenar de exoplanetas.

Astrometría Consiste en observar el movimiento de la estrella respecto a otras estrellas próximas. Si el plano de la órbita del planeta está perpendicular a la visual desde la Tierra, el movimiento de la estrella no produce alejamiento-acercamiento respecto a nosotros, por lo que no se percibirá variaciones en su espectro debidas al efecto Doppler-Fiezau. Por el contrario si que habrá un movimiento circular o elíptico respecto a las estrellas de alrededor. La detección de estos movimientos exige una astrometría muy precisa, ya que se trata de oscilaciones muy pequeñas.

Timing La órbita de un planeta en torno a un pulsar produce variaciones en el periodo del pulsar. En este método se puede destacar que un pulsar es el último estadio de una estrella masiva que explotó como supernova, convirtiéndose en una estrella de neutrones. Sin duda la explosión debió influir poderosamente en el planeta y sus características: masa, atmósfera, composición... también los parámetros orbitales.

TTV son las iniciales de variación del tiempo de tránsito. En sistemas formados por varios planetas puede suceder que el tiempo de transito de alguno de sus componentes no sea siempre el mismo, observándose variaciones que se compensan a largo plazo. En sistemas planetarios compactos la atracción gravitatoria de unos planetas sobre otros provoca aceleraciones y deceleraciones que se traducen en variaciones del periodo orbital. Este método permite descubrir planetas que no se muestran por otros métodos, por ejemplo la órbita de un planeta que no produce tránsito o su órbita no influye decisivamente en la velocidad radial de la estrella puede influir en el periodo orbital de otro planeta dando lugar a variaciones periódicas.

Los métodos de detección tienen un sesgo importante en cuanto al tamaño de los planetas descubiertos. Los planetas grandes del tamaño de Júpiter o más, son mucho más fáciles de descubrir. Esto influye en que la mayoría de los planetas descubiertos son mucho más grandes que la Tierra. Solo cuando las técnicas de detección se afinan es posible descubrir planetas de tamaños similares al nuestro. Esto nos lleva a otra pregunta importante ¿por qué tanto interés en el descubrimiento de exoplanetas? La respuesta tiene que ver con la posibilidad de encontrar vida en otro punto del universo. Desde hace muchos años los científicos persiguen el hallazgo de vida fuera de la Tierra, y los planetas fuera del sistema solar son los candidatos perfectos. De ahí también que se busquen planetas pequeños, ya que los grandes como Júpiter o más, son inmensas esferas gaseosas y malos candidatos para albergar vida. Otra característica para que puedan albergar vida es que se encuentren a una distancia de su estrella que no sea ni muy próxima ni muy alejada. Ya que fuera de este estrecho margen las temperaturas son muy elevadas o muy bajas, y en cualquiera de ambos casos el desarrollo de la vida es muy complicado. En marzo de 2010 se lanzó la sonda Kepler, y entre sus misiones está la búsqueda de planetas extrasolares, en la actualidad ha detectado más de 2300 exoplanetas y una cifra similar esperan confirmación. Recientemente se ha descubierto uno en la estrella Gliese 581 que ha saltado a los medios de comunicación, por que tiene una masa de tres veces la terrestre y está orbitando dentro un radio habitable. Además es el sexto que se descubre girando alrededor de esta estrella. Es de suponer que en los próximos años seguiremos asistiendo a un incremento notable en el descubrimiento de este tipo de astros.

NOTAS

1)En 1992 se descubrió un planeta girando entrono a un pulsar.

 Los datos numéricos se han tomado de la web: http://www.exoplanet.eu/ corresponden a las cifras publicadas en enero de 2020.

Referencias

https://www.nasa.gov/kepler/discoveries

https://www.eso.org/public/spain/science/exoplanets/?lang

http://goutelas.sf2a.eu/2005

http://exoplanetes.esep.pro/