Frontera: en la exploración del universo

DAVID BARRADO-NAVASCUéS

Centro Astronómico Hispano-Alemán (MPG-CSIC) y Centro de Astrobiología (INTA-CSIC)

El bestiario exoplanetario

El antropocentrismo, la noción de que el hombre está en el centro del universo, ha estado presente de manera permanente en la Ciencia y en la Filosofía. Una y otra vez, la realidad nos devuelve a donde pertenecemos, un minúsculo planeta en algún lugar de una galaxia cualquiera.

 Después de centurias especulando sobre si existían otros planetas fuera del Sistema Solar, si la Tierra y el Sistema Solar eran especiales, los años 90 han visto una verdadera revolución en el campo de la búsqueda de exoplanetas. Primero, con los hallazgos, y en los últimos años, con la caracterización (propiedades globales e incluso de sus atmósferas). El verdadero pistoletazo de salida lo dio un grupo suizo, liderado por el Michael Mayor, en 1995, mediante DESTACADOS¿Qué es un planeta?Tipos de planetas Perfil: David Barrado-Navascués
el uso de una técnica basada en los cambios de la velocidad radial de la estrella central, minúsculas variaciones inducidas por la presencia de un planeta, de masa mucho más reducida que aquel. Desde entonces han sido más de 500 exoplanetas, incluyendo alrededor de 100 sistemas planetarios (una estrella que posee al menos dos planetas).

Varios factores han influido en esta eclosión de descubrimientos: desde la variedad de técnicas desarrolladas hasta la sofisticación de los modelos teóricos aplicados, pasando por el uso de una instrumentación en la frontera del desarrollo tecnológico.

En lo que respecta a las técnicas usadas, además de la velocidad radial (basada en el efecto Doppler, o el cambio de frecuencia de una onda, tal como la luz o el sonido, cuando emisor y receptor se mueven uno respecto al otro), los tránsitos planetarios (análogos a los eclipses de Sol) empiezan a dominar el escenario, dado que nos permiten derivar las propiedades genéricas del sistema estrella-planeta (radios, masas –si se combina el estudio con las velocidades radiales–, densidades, temperaturas superficiales), e incluso la obtención de información sobre la composición química de la atmósfera del planeta. Eso sí, sin detalles excesivos. Incluso en unos pocos casos hemos podido obtener imágenes directas de los exoplanetas, a pesar de la extraordinaria diferencia de brillo con la estrella central.




Saturno, observado por la misión Cassini-Hyugens (NASA/ESA/ASI), con el Sol oculto por el eclipse debido al la superficie del planeta. Aunque existe una cierta cantidad de material alrededor de este gigante gaseoso, en forma de numerosos satélites y los múltiples anillos, Saturno domina todo el conjunto. Fuente: NASA.


¿Qué es un sistema planetario?
Es el conjunto formado por una estrella (o un sistema estelar binario) y todos los planetas y cuerpos menores que orbitan a su alrededor. Además de nuestro propio sistema planetario, llamado Sistema Solar, en los últimos 15 años se han descubierto cientos de planetas alrededor de otras estrellas (exoplanetas), gracias a varias técnicas de observación entre las que destacan la espectroscopia de alta resolución (velocidades radiales basadas en el efecto Doppler) Plutón deja de ser un planeta, para pasar a ser el prototipo de un nuevo tipo de objetos, los planetas enanosy la fotometría de alta precisión (tránsitos planetarios, entre otras). Algunos de estos exoplanetas se encuentran en verdaderos sistemas planetarios, que contienen una estrella central y dos o más planetas. Con anterioridad a la identificación del primer exoplaneta, por métodos espectroscópicos en 1995, se habían descubierto discos circunestelares alrededor de estrellas, tanto de acrecimiento (restos de la formación de la propia estrella) como aquéllos formados por el material usado para generar los planetas (denominados discos de debris). Lo que es más sorprendente es que incluso se han detectado sistemas planetarios que también incluyen discos circunestelares y que por tanto se encontrarían en una etapa evolutiva temprana, en la cual los exoplanetas todavía estarían en proceso de formación o habrían terminado recientemente de hacerlo.


  Tetis, un satélite de Saturno con un tamaño de unos 1.071 kilómetros, visto por la misión Cassini-Huygens. Los datos indican que esencialmente está compuesto de agua helada. La imagen (en realidad un mosaico formado por cuatro fotografías) muestra el cráter Odysseus, que tiene un diámetro de unos 450 kilómetros.
Fuente: NASA/JPL/Space Science Institute.



La diversidad planetaria
Dentro del Sistema Solar se aprecia una clara dicotomía en las propiedades de los ocho planetas: aquellos que se asemejan a la Tierra, pequeños y densos; y los gigantes que se encuentran en la región más exterior, con densidades próximas a la del agua. Estos, a su vez, se diferencian en gigantes gaseosos (Júpiter y Saturno, formados por Además de nuestro propio sistema planetario, llamado Sistema Solar, en los últimos 15 años se han descubierto más de 500 planetas alrededor de otras estrellas –exoplanetashidrógeno y helio, al igual que el Sol, y que son los dos elementos atómicos más ligeros) y gigantes de hielo (más pequeños y que contienen cantidades significativas de otros elementos ligeros, como carbono y oxígeno, en forma de hielos).

Durante años se suponía que, de existir algún sistema planetario alrededor de otra estrella, esta sería muy similar al Sol, y tanto la jerarquía como las masas y propiedades de sus planetas serían semejantes a las que encontramos en el Sistema Solar, con planetas de tipo terrestre (esencialmente rocosos) y otros similares a Júpiter (mucho más masivos y gaseosos). Sin embargo, con el descubrimiento de, a día de hoy, 555 planetas, se puede decir que una palabra describe las propiedades básicas: diversidad. De entre ellos, 134 muestras tránsitos (sin contar con los más de mil candidatos descubiertos por el observatorio espacial Kepler, de NASA), y es posible en muchos casos derivar propiedades tales como su masa y el radio, lo que permite una comparación directa con los hermanos de la Tierra. Así, los exoplanetas, por analogía y comparación con modelos teóricos, se pueden agrupar en los mismos tipos que los planetas del Sistema Solar. En cualquier caso, la diversidad persiste, y dentro de ella están los extremos, los planetas que se salen de toda norma, que van mucho más allá de lo que la imaginación podría sugerir.




¿Cuál es la norma y qué es lo excepcional? Aunque los científicos dedicamos gran parte de nuestro tiempo a la clasificación, no suele estar siempre claro. En el caso de los planetas extrasolares, la situación es, verdaderamente, confusa.

En realidad la situación no es tan compleja. Si miramos a los componentes del Sistema Solar e incluimos también a los planetas enanos y a los satélites, nos percataremos que muchos de esos extremos están cerca, son nuestros vecinos: incluso habitamos en uno de ellos. Por supuesto, también están nuestros sesgos observacionales, ya que conocemos mucho mejor nuestros Sistema Solar que lo que está más allá de los mares interestelares. Veamos algunos ejemplos de extremos:


I) Por sus propiedades físicas:
  • CoRoT-Exo-1 b, el planeta de mayor tamaño.
  • PSR 1257+12 b, el planeta de menor masa. O Mercurio, dentro del Sistema Solar y de masa comparable a aquel. En el extremo opuesto, los dos planetas (o enanas marrones) detectados alrededor de la estrella un Oph, algo más de 20 veces la masa de Júpiter (cada uno).
  • La Tierra por la alta densidad. Dentro de los muy densos se encuentra XO-3 b.
  • Saturno y Marte por su forma.
  • Por su composición química, destacan Júpiter, Mercurio, HD 149026 b. Dentro de este grupo se encuentran satélites de la Tierra y Saturno. La Luna, por su carencia de agua, y Tetis, por la gran cantidad de este compuesto ­químico.
  • Por su temperatura superficial, HD 149026 b, unos 2.000 kelvin. En el extremo opuesto, Neptuno con unos 50 K.

II) Por sus propiedades dinámicas:
  • Por su órbita, Neptuno, OGLE-TR-56 b y HD 80606 b.
  • Por su rotación, Júpiter y Venus (muy rápida y lenta, respectivamente).

III) Por la configuración del sistema planetario:
  • Complejidad del sistema planetario. Después del Sistema Solar, el correspondiente a 55 CnC, con 5 exoplanetas.
  • El planeta enano Plutón, junto con su satélite Caronte, por ser prácticamente gemelos, de masa equiparable.
  • Por el entorno, PSR B1620-26 (una estrella de neutrones) localizado en un viejísimo cúmulo globular (NGC6121) con miles de estrellas a distancias muy cortas.
  • 2M1207 b, por la diferencia de masa entre la componente central (una enana marrón) y el planeta, veinte masas jovianas frente a cinco. Además, el planeta orbita a 46 unidades astronómicas.


Por supuesto, los records se baten con facilidad. Solo hay que seguir intentándolo. De hecho, la tasa de descubrimientos es tan alta que, según se escriben estas líneas, van quedando obsoletos.




Visión artística de un planeta orbitando alrededor de un pulsar, como el descubierto alrededor de B1257+12 en 1992. Los pulsares son estrellas de neutrones que, rotan muy rápidamente, tienen intensísimos campos magnéticos y emiten radiación electromagnética de muy alta energía. Son el resultado de la muerte de las estrellas de alta masa, después de estallar como supernovas. Probablemente el planeta, detectado por métodos indirectos, se formó a partir del material expulsado en la explosión. Fuente: NASA.

¿Qué es un planeta?

La Unión Astronómica Internacional (IAU, por sus siglas en inglés), en su asamblea plenaria celebrada en Praga en agosto del año 2006, estableció una definición del término planeta, al menos en lo referente al Sistema Solar. Así, un planeta es un cuerpo celeste que: (a) orbita alrededor del Sol, (b) posee suficiente masa como para que su propia gravedad domine las fuerzas presentes como cuerpo rígido, lo que implica una forma aproximadamente redondeada determinada por el equilibrio hidrostático, (c) es el objeto claramente dominante en su vecindad, habiendo limpiado su órbita de cuerpos similares a él.

Según esta definición, Plutón deja de ser un planeta, para pasar a ser el prototipo de un nuevo tipo de objetos, los planetas enanos. Por tanto, el Sistema Solar se queda con ocho planetas: Mercurio, Venus, la Tierra, Marte (denominados rocosos o telúricos), y Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno (los gigantes gaseosos).

Tipos de planetas

Gaseosos
Los planetas gaseosos son aquellos constituidos principalmente por gases, en particular hidrógeno y helio. En nuestro Sistema Solar pertenecen a esta categoría Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, aunque en estos últimos el hielo es un componente sustancial en su composición. Los planetas gaseosos, dependiendo de sus mecanismos de formación, no tienen por qué poseer un núcleo sólido rocoso, sino que pueden consistir en un continuo de gases paulatinamente más densos que adquieren finalmente las propiedades de un fluido cuando se encuentra a alta presión. En el caso de Júpiter y Saturno el hidrógeno gaseoso en estado molecular da paso a un estado conocido como “hidrógeno metálico”, con unas propiedades particulares. La inmensa mayoría de los planetas extrasolares descubiertos son gaseosos debido, al menos en parte, a que los actuales métodos de detección discriminan mejor planetas de mayor masa.

Rocosos
Los planetas rocosos, también llamados telúricos, son los formados principalmente por silicatos y poseen atmósferas influidas por la actividad geológica y, en el caso de la Tierra, por actividad biológica. En el Sistema Solar existen cuatro planetas rocosos: Mercurio, Venus, Tierra y Marte. Curiosamente, los primeros planetas descubiertos más allá de nuestro sistema eran de tipo rocoso, aunque solo pudieron detectarse gracias a que orbitaban en torno a un pulsar, un tipo peculiar de estrella. Solo a partir de 1995 se consiguió afinar los métodos de detección de planetas extrasolares para encontrarlos. La búsqueda y caracterización de planetas similares al nuestro se han convertido en el eje de algunas misiones de exploración espacial.

Exoplaneta o planeta extrasolar
La Unión Astronómica Internacional (IAU) definió de manera provisional el concepto de exoplaneta en el año 2003. Según la misma, los planetas fuera del Sistema Solar deben orbitar alrededor de una estrella o remanente de estrella (enana blanca o estrella de neutrones) y tener una masa inferior a 14 masas de Júpiter. Debido a su reducida masa, no alcanzan temperaturas y densidades en sus interiores lo suficientemente altas como para fusionar deuterio, un isótopo del hidrógeno compuesto por un protón y un neutrón, o cualquier otro elemento químico. Por tanto, no producen energía a partir de este tipo de fuente.
Según la misma resolución de la IAU, los objetos subestelares, con masas superiores a los anteriores, pero que no fusionan hidrógeno, se deben denominar enanas marrones. Por otra parte, los objetos aislados de masa planetaria, con masa por debajo del límite de las 14 masas de Júpiter, se deben denominar sub-enanas marrones o con cualquier otro nombre que sea apropiado, salvo planeta. Por supuesto, estas definiciones podrán modificarse según nuestro conocimiento avance.

Perfil: David Barrado-Navascués


Doctor en Física por la Universidad Complutense, aunque terminó su investigación en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge (EE UU). Investigador postdoctoral en diferentes instituciones de Estados Unidos, Alemania y España. Trabajó en el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) como miembro del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). Dentro del equipo del INTA, ha sido el investigador principal de MIRI, el instrumento para el infrarrojo medio que volará en el próximo telescopio espacial, el JWST. Posteriormente, se incorporó al Centro de Astrobiología (CAB), instituto mixto constituido por la agencia espacial española (INTA) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Desde comienzos del año 2010 es el director del Centro Astronómico Hispano-Alemán, Observatorio de Calar Alto.
Sus intereses como investigador se centran en la búsqueda y caracterización de objetos subestelares, así como en las propiedades de las estrellas de los cúmulos abiertos. Ha producido más de cien artículos en revistas científicas de prestigio.

Publicado en Núm. 05


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