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En las cercanías de otros mundos

Cómo observar lunas, anillos o incluso el magnetismo de los planetas fuera del sistema solar

IGOR ZOLNERKEVIC | ED. 191 | ENERO 2012

 

Aún es muy somera la visión que tenemos de los planetas que orbitan otras estrellas más allá del Sol, los exoplanetas. Por ahora, en lugar de maravillosas fotografías, debemos contentarnos con las deducciones del radio, de la masa o de las características de sus órbitas, tomadas indirectamente mediante dos de los métodos de detección más utilizados, la técnica de la velocidad radial, donde medimos de qué modo la influencia gravitatoria del planeta hace oscilar a su estrella, y el método de tránsito planetario, que registra la disminución de luminosidad causada por el paso del planeta frente a su estrella. Fue por el tránsito planetario, por ejemplo, que el telescopio espacial Kepler de la Nasa, ha identificado más de dos mil posibles exoplanetas. Uno de sus descubrimientos, confirmado mediante observaciones realizadas por otros telescopios, es el planeta Kepler 22b, con un radio tan sólo 2,4 veces mayor que el de la Tierra, orbitando la zona habitable de una estrella muy similar al Sol, esto es, a una distancia tal que la temperatura en su superficie permitiría la existencia de agua líquida sobre ella. Sin embargo, nadie sabe si Kepler 22b es un enorme planeta rocoso, una súper Tierra, o si se trata de un mini Neptuno, una versión en miniatura de los gigantes gaseosos del sistema solar.

Empero, nuestra imagen de los exoplanetas se ampliará bastante durante los próximos años merced al trabajo de astrofísicos teóricos que vienen proponiendo nuevas maneras por las cuales sería posible observar en el tránsito planetario las señales de otras propiedades de esos mundos. La astrofísica Adriana Válio, de la Universidad Presbiteriana Mackenzie, en São Paulo, y su alumno de doctorado Luis Ricardo Tusnski, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales con sede en São José dos Campos, fueron los primeros en determinar cuál sería el tamaño mínimo de las lunas y anillos de alrededor de planetas extrasolares para ser detectados por el Kepler y por el telescopio espacial Corot, de la Agencia Espacial Europea, que también utiliza el método de tránsito planetario y en el que trabajan investigadores brasileños. En tanto, un equipo coordinado por la astrofísica brasileña Aline Vidotto, de la Universidad de Saint Andrews, en Escocia, descubrió que el tránsito planetario puede utilizarse bajo ciertas condiciones para medir el campo magnético de un exoplaneta.

Estos trabajos de avanzada realizados por brasileños contribuyen de una u otra forma para avanzar en la búsqueda de un exoplaneta capaz de sustentar la vida tal como la conocemos. Aunque la mayoría de los más de 700 planetas extrasolares cuyo descubrimiento ha sido confirmado sean gigantes gaseosos, tanto o más grandes que Júpiter, aquellos que se encuentran localizados en las zonas habitables de sus estrellas podrían contar con lunas rocosas lo suficientemente grandes como para sostener una atmósfera durante miles de millones de años, albergando así océanos llenos de vida. “Si Kepler 22b contara con una luna del tamaño de Marte, por ejemplo, ella sería habitable”, dice Adriana. “Otro factor importante que permite que un planeta sea habitable reside en su campo magnético”, explica Aline. “El campo funciona a modo de escudo protector, impidiendo que las partículas de alta energía provenientes de la estrella desgasten su atmósfera”.

Lunas ocultas
Desde 2003, Adriana desarrolla un modelo computacional para estudiar cómo es que las manchas estelares – el fenómeno análogo al de las manchas que surgen en la superficie del Sol – interfieren en la curva de luz del tránsito planetario. En 2009, Tusnski, entonces su alumno de maestría, decidió adaptar el modelo para simular el tránsito de un planeta con una luna. Otros investigadores habían propuesto anteriormente la detección de lunas por medio de la perturbación que éstas provocan en el movimiento del planeta, pero hacerlo requeriría observar la variación del brillo de la estrella durante un tiempo mayor que el que los telescopios lo hacen normalmente. El modelo propuesto por los brasileños demostró que eso era innecesario. Si una luna fuese lo suficientemente grande, aparecería una señal inconfundible de su presencia en la curva de luz del tránsito planetario bajo la forma de pequeños “escalones”.

Sin embargo, las curvas de luz obtenidas con el Kepler y el Corot no son uniformes como las de los modelos, ya que el brillo de las estrellas no es constante y fluctúa erráticamente, entre otros motivos, debido a la aparición y remisión de las manchas estelares. “La cosa es todavía más complicada porque existe cierto ruido en el instrumento que genera inexactitud en la medición”, explica Tusnski. Por lo tanto, los “escalones” que indicarían la presencia de las lunas deberían ser identificados entre el ruido originado por esa variación. De todos modos, en un artículo publicado en diciembre en la revista Astrophysical Journal, Tusnski y Adriana demostraron mediante simulaciones de esas fluctuaciones que sería posible distinguir entre los datos del Corot, lunas 1,3 veces mayores que la Tierra, mientras que en los datos provistos por el Kepler podrían hallarse evidencias de satélites tan pequeños como nuestra Luna. Tusnski ya ha comenzado a buscar esas señales entre los datos. “La aplicación de esta herramienta puede conducir al descubrimiento del primer satélite natural en exoplanetas”, afirma el especialista en dinámica planetaria Othon Winter, de la Unesp. “Una de las grandes ventajas de ese trabajo consiste en la facilidad para perfeccionar el modelo (ya utilizado), incluyendo manchas estelares y otras lunas”.

Aunque la mayor luna del sistema solar, Ganímedes, que orbita en torno a Júpiter, tiene un tamaño un poco menor que la mitad de la Tierra, Winter, en compañía de Rita Domingos y Tadashi Yokoyama, ambos también de la Unesp, calcularon, de acuerdo con un artículo publicado en 2006 en la revista Monthly Notices of Royal Astronomical Society (MNRAS) que los exoplanetas similares a Júpiter orbitando en la zona habitable de las estrellas semejantes al Sol podrían contar con satélites del tamaño de la Tierra o mayores. “Hay una creciente expectativa en cuanto a que la detección de lunas será realizada próximamente, debido al inmenso volumen de datos a la espera de ser analizados”, dice el astrónomo Darren Williams, de la Universidad Estadual de Pensilvania, Estados Unidos, quien también demostró recientemente que exoplanetas gigantes gaseosos podrían contar con grandes lunas. “Sospecho que la mayoría de los planetas detectados por el Kepler tiene lunas, y algunas serían mayor que Marte”.

Adriana y Tusnski también fueron los primeros que determinaron de qué modo la presencia de anillos alrededor de los exoplanetas afectaría a la curva de luz del tránsito planetario. Su modelo reveló que el efecto de los anillos consistiría en suavizar los extremos del “pozo” de la curva de luz, como así también profundizarlo. Realizando un análisis similar al de las lunas, ellos demostraron que un sistema de anillos como el de Saturno puede detectarse por medio del Kepler, mientras que los anillos sólo serían visualizados por el Corot si fueran al menos un 50% mayores que los de Saturno.

El siguiente paso de los investigadores consistirá en adaptar su modelo para identificar la señal de los anillos de exoplanetas extremadamente cercanos con sus estrellas. En ese caso, la atracción gravitatoria de la estrella es capaz de distorsionar los anillos. Según Tusnski, ellos podrían utilizar esa deformación para obtener datos sobre la densidad de los núcleos de los exoplanetas.

Arcos de choque
También sería posible conocer más acerca del interior de los exoplanetas si los astrónomos lograsen detectar el campo magnético de ellos. Los investigadores están buscando señales de esos campos por medio de radiotelescopios. La idea consistiría en captar las ondas de radio emitidas por partículas cargadas eléctricamente disparadas por las estrellas, cuando éstas fuesen capturadas por los campos magnéticos planetarios, el mismo fenómeno que provoca las auroras boreales en la Tierra. Pero todas las búsquedas han fallado hasta ahora.

Desde 2010, Aline y sus colegas Moira Jardine, Christiane Helling, Joe Llama y Kenneth Wood, todos de la Universidad de Saint Andrews, han venido publicando una serie de cuatro artículos en las revistas Astrophysical Journal LettersMNRAS y MNRAS Letters, detallando un nuevo método, más indirecto pero prometedor, para medir campos magnéticos de exoplanetas. De hecho, el equipo afirma haber logrado estimar la intensidad del campo magnético del exoplaneta Wasp 12b, descubierto en 2008 por el telescopio Super Wasp, instalado en La Palma, una de las islas del archipiélago español de las Canarias.

Wasp 12b, casi dos veces mayor que Júpiter, orbita su estrella a una distancia 16 veces menor que la distancia entre el Sol y Mercurio, realizando una vuelta completa alrededor de ella cada 26 horas, a la estupenda velocidad de 300 kilómetros por segundo. Observaciones del tránsito planetario realizadas con el telescopio Hubble revelaron que la curva de luz de la estrella comienza a caer antes en la longitud de onda de la luz ultravioleta que no emite luz visible. Aline y su equipo consideran que ese efecto es provocado por la formación de un “arco de choque” delante del planeta, originado por el hecho de estar trasladándose a una velocidad mayor que la de la propagación del sonido en un medio atravesado por partículas emitidas por la estrella, el denominado viento estelar.

Según el modelo de los investigadores, las partículas de viento estelar estarían colisionando contra el campo magnético de Wasp 12b, conformando frente a él una región en forma de arco que sería transparente a la luz visible, aunque opaca para la ultravioleta. Midiendo la diferencia entre el comienzo del tránsito en las dos longitudes de onda, el equipo logró estimar la distancia entre el planeta y el arco de choque, y, a partir de ahí, deducir la intensidad del campo magnético del planeta, que sería menor a 24 Gauss, un valor comparable al campo en los polos de Júpiter, que varía entre 10 y 14 Gauss, y es cuatro veces mayor que el de la Tierra.

Para llevar adelante nuevas observaciones del fenómeno, el equipo analizó una serie de exoplanetas ya descubiertos mediante el tránsito planetario, verificando los datos referidos a la distancia de los planetas con sus estrellas y a la intensidad de los vientos estelares. “Construimos una lista de los exoplanetas que serían los mejores candidatos a contar con un arco de choque observable”, dice Aline. Entre ellos, se encuentran varios de los más cercanos a la Tierra descubiertos por el Super Wasp y por el Corot.

“Aline y sus colegas tuvieron que vérselas ante un dilema astrofísico sumamente complejo”, comenta la especialista en interacciones magnéticas entre estrellas y planetas Evgenya Shkolnik, del Observatorio Lowell, en Arizona, Estados Unidos. “Sería extremadamente valioso si pudiéramos medir al menos el campo magnético de algunos de los exoplanetas más cercanos a sus estrellas, los denominados Júpiteres calientes, para distinguir en ellos diferentes estructuras”.

El Proyecto
Investigation of high energy and plasma astrophysics phenomena: theory, observation, and numerical simulations (nº 2006/50654-3); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino – IAG/USP; Inversión R$ 366.429,60 (FAPESP)


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