Escondidos en la luz

14/12/2015 0 comentarios
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El descubrimiento de varios miles de planetas extrasolares y de otros miles en espera de ser confirmados, de entre los cuales solo un puñado han sido observados directamente por telescopios en Tierra y en el espacio, representa uno de los ejemplos más fascinantes de lo que pueden hacer los astrónomos manipulando de formas inteligentes la luz que viene del universo. A solo unos días de que termine el Año Internacional de la Luz, nos unimos a la celebración recordando que la nueva "revolución copernicana" de los planetas extrasolares no sería posible sin el conocimiento acumulado durante siglos sobre el funcionamiento de aquel fenómeno fascinante que llamamos "luz".

A pesar de la casi infinita variedad de mundos que hemos descubierto allá afuera, muy pocos de ellos han sido observados directamente.  Casi todos fueron descubiertos escondidos en la luz de sus estrellas anfitrionas (Crédito: Martin Vargic, versión completa del Poster: http://time.com/4098635/500-exoplanets-chart)Casi todos los objetos que conoce la astronomía en el presente han sido observados directamente por telescopios en Tierra y en el espacio. Desde pequeños trozos de roca que se acercan peligrosamente a la Tierra u orbitan el Sol más allá de Neptuno, pasando por nubes de gas "invisibles" que solo producen alargadas ondas de radio, hasta galaxias en formación en los confines mismos del espacio y el tiempo. Todos han dejado una huella electromagnética en nuestros instrumentos, revelando su existencia y ofreciéndonos pistas sobre su naturaleza.

Pero existe una excepción. Una muy especial: los planetas extrasolares. Los hay por millardos en la Galaxia; su número podría incluso superar el millón de millones tan solo en nuestro universo inmediato. Aun así, solo tenemos imágenes directas de un puñado de ellos. ¿Cómo es posible esto? ¿cómo es que sabemos en primer lugar de su existencia si no los hemos observado?, más increíble aún ¿cómo es que parecemos saber tanto sobre ellos, tal y como lo revelan las decenas de noticias que leemos cada semana al respecto, sin haberlos observado a granel con telescopios? Los planetas extrasolares, podría decirse, son los objetos astronómicos jamás observados, mejor conocidos por el hombre.

2015 presenció una de las celebraciones más grandes de la ciencia en las últimas décadas: el Año Internacional de la Luz. Eventos alrededor de todo el mundo congregaron a miles de expertos y posiblemente cientos de miles o millones de ciudadanos alrededor de la celebración de la luz y sus secretos. La astronomía no fue ajena a la celebración; ¿cómo podría serlo cuando la luz es la mensajera del cosmos y los astrónomos una forma sofisticada de "torturadores" de fotones? Pero 2015 también fue el año de otra celebración importante: los 20 años del descubrimiento del primer planeta extrasolar alrededor de una estrella normal.

Que sea esta una buena oportunidad para recordar cómo varios siglos de avances en el conocimiento de la luz son los que han hecho posible la revolución de las ciencias planetarias que comenzó hace exactamente 20 años con el descubrimiento (más no la observación) del primer planeta extrasolar.

Descubrir planetas observando estrellas

La clave del descubrimiento de los planetas extrasolares (de todos ellos) ha sido la observación cuidadosa de la luz de las estrellas. Curiosamente, para saber hoy sobre planetas, se requirió la experiencia acumulada por más de un siglo observando y "modelando" las estrellas.

Vistos a la distancia, las estrellas monopolizan casi toda la luz que nos llega de los sistemas planetarios que crecen alrededor de ellas. Hoy se sabe que la formación estelar (la de casi todas ellas) deja residuos que en la mayoría de los casos evolucionan hasta formar planetas (grumos) de todos los tamaños. El grumo de gas y polvo más grande alrededor de una estrella produce mucho menos que el 0,0000001 % de la luz de la estrella. ¿Cómo podríamos esperar verlo?

Pero conocemos tan bien las propiedades de la luz de las estrellas que casi cualquier anomalía que observemos puede convertirse en una pista de lo que hay alrededor de ellas. A eso se reduce todo. La inmensa mayoría de los planetas extrasolares descubiertos son anomalías en la luz de sus estrellas anfitrionas.

Anomalía 1: ¿De dónde viene todo ese calor?

Cantidad de luz infrarroja proveniente de Vega medida por el telescopio espacial IRAS en los 1980 (cruces).  La línea continua representa la cantidad esperada de acuerdo a la ley de Planck.  En esta imagen los cuerpos alrededor de Vega (que resultaron ser asteroides) están representados por esas cruces que se salen de lo esperado. (Crédito: Tokunaga & Vacca, 2005)

Incluso antes del descubrimiento del primer planeta extrasolar, las primeras pistas de la existencia de algo que crecía alrededor de las estrellas, llegaron en la forma de "calor" o en otros términos de radiación infrarroja.

Descubierta por William Herschel en el siglo XVIII, la luz infrarroja fue la primera forma de luz, distinta de la visible, que pudimos percibir con instrumentos científicos. No sospechaba Herschel en aquel entonces, la revolución astronómica que su descubrimiento acarrearía dos siglos después.

Las estrellas naturalmente emiten grandes cantidades de luz infrarroja. Cuando usted camina bajo el Sol, el calor que siente viene de la absorción por su cuerpo de una parte de la luz infrarroja que llega de nuestra estrella.

El calor producido por las estrellas sigue una ley muy definida: la ley de Planck. Descubierta originalmente por técnicos metalúrgicos y físicos experimentales en el siglo xix pero descrita de forma correcta por Max Planck en 1900 (para lo que tuvo primero que inventarse primero la teoría cuántica), la ley de Planck dice que la cantidad de "calor" (luz infrarroja de gran longitud de onda) producida por una estrella normal disminuye con la cuarta potencia de la longitud de onda.

Así, la luz de 10 micrometros de longitud de onda emitida por una estrella debería ser 16 veces menos intensa que aquella producida en la forma de luz de 5 micrometros.

Si se observa una estrella y la intensidad del calor (luz infrarroja) producida por ella no sigue esta ley, algo raro pasa a su alrededor. Así por ejemplo, cuando la estrella está rodeada de planetas en formación o detritos de esa misma formación, las partículas de polvo, los granos y rocas absorben la luz visible y ultravioleta de la estrella y la reemiten en la forma de calor. Como resultado un exceso de luz infrarroja será observada en la Tierra revelando la existencia de esos detritos.

La observación de este exceso fue el primer indicio de que algo parecido a un sistema planetario orbitaba la estrella Vega en el año 1980. Vega es una de las estrellas más brillantes del cielo y también de las más cercanas al sistema solar. El descubrimiento inspiró a Carl Sagan para convertir a esta estrella en el destino de uno de los viajes interestelares de su famosa novela Contacto.

Anomalía 2: ¿Por qué tiembla la estrella?

Concepción artística de la apariencia de 51 Pegasi b, el primer planeta extrasolar descubierto alrededor de una estrella normal hace exactamente 20 años. Este planeta se descubrió estudiando cuidadosamente el espectro de su estrella. Ni una sola imagen directa ha sido tomada de él. Solo la imaginación de los artistas le pueden dar vida.

La espectroscopía, es decir la técnica que consiste en analizar cuidadosamente los colores que salen de un prisma cuando es iluminado con la luz de una estrella, es una de las herramientas más poderosas de la Astronomía. Transformó esta ciencia a principios del siglo xix, de una actividad "contemplativa" y de registro minucioso de los movimientos y apariencia de los objetos celestes a una poderosa forma de conocer la composición, origen y estructura del universo.

Una de las aplicaciones más interesantes de la espectroscopía nos permite observar el movimiento de los cuerpos astronómicos sin que cambien de posición aparente en el telescopio. Pero ¿cómo es posible?

Al moverse hacia o alejándose de nosotros, las líneas espectrales de las estrellas, que tienen una "posición" o longitud de onda definida, cambian sutilmente su posición. La magnitud del cambio nos informa sobre la velocidad que esa estrella tiene en dirección a o alejándose de nosotros.

En el año 1995 astrónomos en Europa y en los Estados Unidos reportaron la existencia de una estrella cuya velocidad hacia la Tierra oscilaba de forma predecible y periódica, en una magnitud difícil de explicar usando los mecanismos astronómicos conocidos a la fecha. Después de analizar cuidadosamente los datos por casi un año, la conclusión no podría ser otra: la estrella estaba siendo orbitada por un planeta gigante más grande que Júpiter. El primer planeta extrasolar descubierto.

Hoy 20 años después, más de 700 de los aproximadamente 2000 planetas que se conocen han sido descubiertos y descritos gracias a esta técnica espectroscópica. Ninguno de ellos ha sido visto nunca; es el "temblor" de su estrella el que nos habla de su presencia.

Anomalía 3: ¿Adónde se fue la luz de la estrella?

Así se ve la evolución en el tiempo (eje horizontal) de una estrella que sufre periódicamente los eclipses de un planeta

Dicen los textos escolares que "un planeta es un cuerpo que no emite luz propia". La famosa frasecita es incorrecta en tanto que casi todos los objetos del universo emiten luz, así sea luz invisible para nuestros ojos; sin embargo resulta particularmente útil para explicar la siguiente anomalía.

Con millones de estrellas que tienen planetas allá afuera, la posibilidad de que al observar una de ellas, uno de sus planetas quede alineado en la misma dirección en la que vemos la estrella, es bastante alta. Si tomamos por ejemplo 1000 estrellas en el cielo que tengan planetas, por lo menos en 50 de ellas, si las observamos con paciencia, uno de sus hipotéticos planetas pasará delante de la estrella eclipsándola en algún momento.

Los eclipses extrasolares se han convertido hoy en una de las fuentes más importantes de descubrimientos planetarios. La técnica exige la paciencia del santo Job. Es necesario monitorear la luz de miles de estrellas, minuto a minuto, durante muchos meses, para poder ver tan solo un centenar de eclipses.

Los eclipses planetarios son relativamente cortos (solo toman un par de horas) y se repiten con una frecuencia que depende de la distancia a la que se encuentra el planeta de su estrella. Así por ejemplo si un extraterrestre quisiera descubrir con esta técnica a nuestro planeta, debería observar durante al menos 3 o 4 años los cambios en el brillo solar para estar completamente seguro que esa pequeña disminución que ve por unas horas cada año, es realmente debida a un planeta.

Poco más de 1200 de los casi 2000 planetas que se conocen, son solo sombras que hemos visto pasar delante de sus estrellas. Otras 4000 sombras han sido observadas alrededor de otras estrellas, en algunos casos tan solo una o dos veces por lo que no estamos seguros si se trata realmente de un planeta o de otro fenómeno. Esos 4000 candidatos esperan con paciencia que observatorios en Tierra y en el espacio confirmen que se trata efectivamente de sombras planetarias.

Anomalía 4: ¿De dónde viene ese exceso de luz?

Así se ve la variación de la luz de una estrella lejana cuando pasa por delante de ella una estrella con su compañero planetario. (Crédito: Microlensing Planet Search Project)

La última anomalía es una de las más curiosas. Si se observa con atención estrellas en un campo de visión en el que haya miles de ellas (por ejemplo cuando miramos hacia las regiones más densamente pobladas de la Galaxia), puede suceder que la luz de algunas de estas estrellas aumente durante un cierto período de tiempo sin ninguna causa aparente. 

Si bien es cierto que hay estrellas cuyo brillo puede cambiar de forma repentina o incluso periódica, el aumento del que estamos hablando es bastante anormal. Ocurre de imprevisto y dura tan solo un par de horas. 

La explicación a este fenómeno viene de una de las teorías más importantes de la física: la Teoría General de la Relatividad. De acuerdo a esta teoría, la gravedad de las estrellas desvía el camino rectilíneo de la luz que viene de atrás de ellas convirtiéndolas bajo las condiciones correctas, en pequeñas "lentes gravitacionales".

Esta es justamente la razón por la que vemos la luz de estrellas remotas intensificarse de forma repentina. Sin preverlo una estrella más pequeña y débil pasa delante de la imagen de la estrella lejana y actúa como una lente concentrando su luz. A este fenómeno se le llama una "microlente gravitacional".

Pero la historia no termina ahí. Si da la casualidad de que un planeta orbita la estrella más cercana responsable de la lente, un segundo y mucho más corto incremento en el brillo de la estrella lejana se hace visible. Es como si la lente tuviera cerca a ella una pequeña lentecilla de aumento, como la que hay en las gafas bifocales.

Decenas de planetas extrasolares han sido descubiertos con esta curiosa técnica. De nuevo, ninguno de ellos ha sido observado directamente, ni lo será en el futuro. Tan solo el curioso efecto "refractivo" de su gravedad nos ha revelado su existencia.

La ñapa

A pesar de que la mayoría de los planetas extrasolares descubiertos hasta la fecha han sido observados solo por anomalías en la luz de sus estrellas, como decía al principio, un puñado de ellos han sido "fotografiados" directamente, una hazaña no menos increíble. Termino esta entrada mostrando algunas imágenes increíbles de estos cuerpos.

Imagen de 51 Eridani b obtenida en el infrarrojo por el Gemini Planet Imager del telescopio Gemini Sur en Chile, un instrumento diseñado para observar planetas gigantes jóvenes y calientes (Para saber más ver: https://en.wikipedia.org/wiki/51_Eridani_b)

Una de las más famosas imágenes de exoplanetas jamás tomadas.  Muestra no un planeta sino un sistema planetario alrededor de la estrella HR 8799 (Crédito: Keck Observatory)

Imagen de GJ504b un planeta de tipo Joviano alrededor de una estrella de tipo solar muy joven.  El planeta tiene unas 4 veces la masa de Júpiter pero se encuentra más lejos que lo que Neptuno del Sol (crédito: Subaru Telescope)

Esta es posiblemente la imagen más increíble de un planeta extrasolar, el compañero de la estrella GU Piscium.  La imagen combina una fotografía en visible y una en infrarrojo en la que se ve el planeta. El planeta, con cerca de 4 veces la masa de Júpiter esta a una distancia de su estrella mayor de 2,000 veces la distancia de la Tierra al Sol y su año dura 163,000 años terrestres (Crédito: NASA, Marie-Eve Naud et al, Gemini Observatory)

(Una lista completa de los planetas que han sido observados directamente puede encontrarse en este enlace)