Hace casi 100 años que Clyde W. Tombaugh descubrió Plutón. Fue el último planeta descubierto hasta 1992, año en el que encontramos otro. Pero este nuevo planeta no estaba en nuestro sistema solar, sino orbitando alrededor de otra estrella. Lo llamamos planeta extrasolar, o "exoplaneta" para abreviar.
Desde entonces, los astrónomos han catalogado más de 6,000 exoplanetas. Si pensabas que era difícil recordar los nombres de nuestros propios planetas, prueba recordar todos los planetas, con nombres como HD 189733b (un lugar donde llueve vidrio fundido y el viento sopla a 9,000 kilómetros por hora).
Incluso los exoplanetas más cercanos están a más de 4 años luz de distancia, lo que hace dudar que lleguemos a visitar alguno, así que ¿para qué molestarse? La razón es que nos ayuda a responder a una vieja pregunta: ¿Estamos solos en el universo? Por lo que sabemos, se necesita un planeta para que haya vida, y la carrera por encontrar uno con cualidades similares a las de la Tierra está en plena marcha.
¿Por qué los exoplanetas son difíciles de encontrar?
El problema es que no puedes tomar tu mejor telescopio y empezar a mirar por el cielo. Los telescopios tienen un poder de resolución limitado: el tamaño angular más pequeño que pueden "ver". En el caso del telescopio espacial Hubble (HST), es de 0.05 segundos de arco, es decir, un tamaño increíblemente pequeño: aproximadamente 1/72,000 de grado. El HST pudo distinguir un planeta gigante del tamaño de Júpiter a una distancia de 590,000 millones de kilómetros. Es asombroso, pero solo está a 0.06 años-luz, y la estrella más cercana, Próxima Centauri, está a 4.25 años-luz.
Otro problema es la oscuridad de los planetas. Por supuesto, Júpiter es fácil de ver en nuestro cielo nocturno, debido a la luz solar que se refleja en su superficie. Pero durante el día no se puede ver en absoluto, porque la luz reflejada es mucho más tenue que la luz solar directa. Lo mismo ocurre con los exoplanetas. Cuando miramos la luz de una estrella, los planetas que la rodean no brillan lo suficiente como para ser visibles.
Por suerte, hay otros métodos, y voy a explicar los dos que se utilizaron para encontrar la mayoría de los exoplanetas que conocemos hoy en día. Hay un montón de física interesante aquí.
Órbitas, estrellas tambaleantes y desplazamientos al azul
¿Qué ocurre cuando un planeta se mueve alrededor de una estrella? En primer lugar, hay una interacción gravitatoria que atrae al planeta en la dirección de la estrella. La magnitud de esta fuerza (FG) depende de la masa de la estrella (M) y del planeta (m), así como de la distancia (r) entre ellos:
(G es una constante gravitatoria, que para los efectos podemos ignorar). Es posible utilizar esta fuerza para hacer que un objeto se mueva en una trayectoria circular. Recordemos que, según la segunda ley de Newton, cuando una fuerza actúa sobre un objeto, este se acelera, y definimos la aceleración como el cambio en la velocidad del objeto.
Sin embargo, la velocidad es la rapidez en una dirección determinada, por lo que el cambio de dirección es en sí mismo un tipo de aceleración. En el movimiento orbital, la llamamos aceleración centrípeta y depende tanto del radio (r) de la trayectoria circular como de la velocidad del objeto (v). Si unimos esto a la fuerza gravitatoria, obtenemos la siguiente ecuación:
Sí, algunas cosas (como la masa del planeta y el radio) se cancelan, pero no nos preocupemos por eso ahora. Puedes ver que hay una relación entre el radio orbital y la velocidad del planeta. Vamos a modelar el movimiento de un planeta alrededor de una estrella.
¿Lo ves? La estrella no está inmóvil. No te he contado toda la historia. Si la estrella tira del planeta, el planeta también tira de la estrella. Esto se debe a que las fuerzas son siempre una interacción entre dos objetos (Newton de nuevo, tercera ley). Como hay una atracción gravitatoria sobre la estrella, esta también se mueve en una órbita circular.
Obviamente, nada de lo que aparece en la simulación está dibujado a escala. Una estrella real tiene mucha más masa que el planeta, por lo que el efecto es mínimo. Básicamente, la estrella solo se "tambalea". No podemos ver el movimiento, pero sí detectarlo. ¿Por qué? Por el efecto Doppler.
Esto es algo que ya sabes, aunque no sepas que lo sabes. Cuando pasa un tren a toda velocidad, su sonido cambia de tono, de agudo a grave. Aquí tienes una animación que te ayudará a entender lo que ocurre. Imagina una pelota que emite ondas sonoras a intervalos regulares. Estas ondas se expanden desde su posición inicial. Ahora, si la pelota se mueve hacia ti, esto es lo que ocurre:
¿Ves cómo los frentes de onda se aplastan? Esto significa que llegan a tu oído más ondas por segundo, es decir, tienen una frecuencia más alta, y eso lo oímos como un tono más agudo. Además, en la parte posterior, las ondas no se aplastan. Si la pelota se alejara de ti, el tono disminuiría.
Es el efecto Doppler, que funciona con todos los fenómenos ondulatorios, incluyendo la luz. Cuando una fuente de luz se mueve hacia ti, la frecuencia aumenta. En el caso de la luz visible, esto significa que el color cambia: se desplaza hacia el extremo azul del espectro. Es lo que llamamos ‘desplazamiento al azul’. Cuando se aleja, el color se desplaza hacia el extremo rojo: es un ‘desplazamiento al rojo’.
¡Voilà! Aunque los astrónomos no pueden ver el movimiento de una estrella, pueden saber si se está moviendo utilizando un espectroscopio para ver cómo cambia la luz. Pero ¡espera! Aún hay más. Si conoces la frecuencia original, puedes saber a qué velocidad se mueve la estrella basándote en el cambio de frecuencia.
El único problema de esta técnica es que la cantidad de cambio de color depende de la velocidad de la luz y de la velocidad de la fuente. La luz se mueve muy rápido (3 x 108 metros por segundo), por lo que en la mayoría de los casos el desplazamiento Doppler es muy difícil de detectar. Pero difícil no significa imposible.
Así es como se encuentra un exoplaneta: observa una estrella durante varios años y busca pequeños cambios en su espectro de color. A continuación, utilízalo para determinar la velocidad a la que la estrella se acerca y se aleja de la Tierra. Si podemos estimar la masa de la estrella (y podemos), entonces utilizando su velocidad y el período de oscilación (cuánto dura una oscilación), podemos calcular la masa y la distancia orbital del planeta.
Eso es importante. Si esperamos encontrar vida extraterrestre, probablemente queramos encontrar un planeta similar a la Tierra en una órbita similar a nuestro planeta; ni demasiado cerca del Sol ni demasiado lejos, para que pueda existir agua en estado líquido.
El método del tránsito
Esta es la segunda forma de detectar un exoplaneta. Empecemos pensando en algo familiar: un eclipse solar. Es cuando la luna pasa por delante del sol, haciendo que la sombra de la luna caiga sobre la Tierra. En un eclipse total, la cantidad de luz que llega a la Tierra puede ser unas 1,000 veces inferior a la normal.
Venus y Mercurio también pasan a veces entre el Sol y la Tierra. Le llamamos ‘tránsitos planetarios’. No proyectan sombra sobre la Tierra, pero disminuyen ligeramente el brillo solar general (dato curioso: en el siglo XVIII, el tránsito de Venus se utilizaba para calcular la distancia de la Tierra al Sol).
También se puede producir el tránsito de un exoplaneta, cuando un planeta extrasolar se interpone entre su estrella local y nuestro punto de observación en la Tierra. Cuando esto ocurre, el brillo de la estrella disminuye ligeramente. Los instrumentos más sensibles pueden detectar este cambio y averiguar que hay un exoplaneta alrededor de esa estrella. Así es como se descubrió Kepler-10 b, el planeta de la ilustración superior (más tarde se confirmó por el tambaleo estelar y el desplazamiento Doppler).
Si pudieras ver este tránsito (que no puedes ver en absoluto), tendría este aspecto:
Supongamos que representamos el brillo o la intensidad de la estrella en función del tiempo. Durante un tránsito, sería algo parecido a esto:
Este gráfico se llama curva de luz, y hay un montón de cosas que podemos averiguar a partir de él. El fondo plano de la depresión es la parte en la que el planeta está completamente delante de la estrella. La profundidad de la depresión nos indica el tamaño del planeta. Los planetas más grandes bloquean más luz.
En segundo lugar, la longitud de la depresión nos indica cuánto tiempo está el planeta frente a la estrella. Podemos utilizarlo para determinar el período orbital (cuánto tarda en completar un círculo completo). Si conocemos la masa de la estrella y la velocidad orbital, podemos calcular la distancia orbital.
Por último, seguimos observando para ver si esta inclinación se produce de forma regular: así es como sabemos que tenemos un exoplaneta legítimo. Incluso es posible obtener tránsitos de varios planetas, y podemos identificarlos a partir de sus curvas de luz características.
Por supuesto, ambos métodos tienen sus límites. Los efectos Doppler son más difíciles de detectar cuanto más lejos se mira. Y ambos requieren una alineación favorable específica. Por ejemplo, si un sistema planetario lejano está perpendicular a nuestra vista desde la Tierra, el tambaleo de la estrella no lo acercará ni alejará de nosotros, por lo que no habría desplazamiento Doppler.
Para el método del tránsito, el exoplaneta tiene que orbitar su estrella en un plano que incluya a la Tierra. Si todo no está alineado, no obtendremos ningún tránsito. Solo un pequeño porcentaje de los sistemas solares cumplen esta condición.
Además, ambos métodos de detección tienen un fuerte sesgo hacia la búsqueda de planetas grandes que orbitan cerca de sus estrellas (los llamados “Júpiter calientes”) porque provocan señales más grandes y frecuentes. En el caso de planetas similares a la Tierra, habría que invertir tres años para obtener una observación mínimamente aceptable de tres tránsitos. Y nadie va a detectar una versión extrasolar de Plutón, con su órbita de 250 años.
Ahora pensemos en los 6,000 exoplanetas encontrados hasta ahora. Todos menos uno están en la Vía Láctea, lo que deja de lado los "miles y miles de millones" (más bien billones) de otras galaxias. Y casi todos los exoplanetas conocidos son mayores que la Tierra, aunque se cree que los planetas del tamaño de la Tierra son comunes. Y cada uno de los 6,000 eran casos en los que los planetas estaban alineados justo para que pudiéramos detectarlos.
Entonces… ¿cuántos planetas hay realmente ahí fuera? Las estimaciones actuales hablan de unos 100 mil trillones (un 1 seguido de 23 ceros). ¿Qué opinas tú? ¿Estamos solos en el universo?
Artículo originalmente publicado en WIRED. Adaptado por Andrea Baranenko.
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