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Astrofísica

Rastros de nuevos mundos

Las ondas gravitacionales podrían ser útiles para la detección de exoplanetas situados en las cercanías de su estrella

Ilustración de un sistema binario formado por una estrella y un exoplaneta emitiendo ondas gravitacionales

Montaje sobre imagen del LIGO/ T. Pyle

Desde que en septiembre de 2015 los detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés), instalados en Estados Unidos, registraron por primera vez el tipo de perturbación en la curvatura del espacio-tiempo previsto por Albert Einstein (1879-1955), los eventos detectados y asociados a la producción de ondas gravitacionales han sido literalmente explosivos. Dichos eventos están relacionados con sistemas binarios remotos, ubicados a distancias que van de 130 a 3.000 millones de años luz de la Tierra, compuestos por dos cuerpos de enorme masa, generalmente un par de agujeros negros o de estrellas de neutrones. Esos objetos celestes orbitaban en torno de un centro de gravedad con trayectorias en espiral progresiva rumbo a una inevitable y descomunal colisión-fusión, de la cual resultaban ondas gravitacionales.

En un artículo que salió publicado el 21 de junio en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, un trío de astrofísicos de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN) plantea que la detección de ondas gravitacionales puede ser de utilidad para descubrir y estudiar formaciones binarias bastante menos energéticas y localizadas en las cercanías de la Tierra, a menos de mil años luz de distancia: sistemas compuestos por una estrella con masa similar a la del Sol y un exoplaneta gigante con período orbital ultracorto. Ese tipo de exoplaneta más masivo que Júpiter, el planeta con mayor masa del Sistema Solar, se encuentra prácticamente “pegado” a su estrella y le demanda aproximadamente una hora dar una vuelta completa en torno de ella. La Tierra demora alrededor de 365 días (el período al que denominamos año) en dar una vuelta completa alrededor del Sol.

“Los detectores en tierra, como es el caso del LIGO, no poseen resolución como para registrar las ondas gravitacionales débiles que emite ese tipo de sistema planetario”, explica José Ademir Sales de Lima, de la USP y autor principal del estudio. “Pero hicimos cálculos y constatamos que el Laser Interferometer Space Antenna [LISA] será capaz de medirlas en algunos casos”. El proyecto coordinado por la Agencia Espacial Europea (ESA, en inglés), el mencionado LISA, será el primer observatorio espacial dedicado a medir ondas gravitacionales. Su entrada en servicio se estipula para la década de 2030. Sobre un total de alrededor de 2.800 sistemas planetarios conocidos, poco más de una decena están formados solamente por una estrella y un exoplaneta con período orbital ultracorto.

Lima y sus colegas Francisco Edson da Silva y João Vital da Cunha, ambos de la UFRN, calcularon el nivel probable de emisión de ondas gravitacionales en 14 sistemas de ese tipo, formados por un exoplaneta con período orbital inferior a 80 minutos. Finalmente, concluyeron que tan solo tres de ellos emitirían ondas gravitacionales en cantidad suficiente como para que el LISA las pueda captar. Ellos son: el GP Com b, el V396 Hya b, y el J1433 b. Esos exoplanetas cuentan con una masa que va de 18 a 57 veces la de Júpiter y están situados a una distancia de la Tierra entre 245 y 737 años luz. Por su ubicación extremadamente cercana a su estrella, ellos serían muy calientes, sin condiciones para albergar agua en estado líquido. “Como cualquier sistema binario, todo exoplaneta en órbita alrededor de una estrella genera ondas gravitacionales. Con todo, la inmensa mayoría son de muy baja emisión y no podremos medirlas”, explica Vital da Cunha.

Emisión periódica
En comparación con la fuerte señal liberada por única vez luego de la fusión de dos agujeros negros supermasivos o dos estrellas de neutrones, el giro de un planeta alrededor de una estrella produce una cantidad ínfima de ondas gravitacionales, casi imperceptible. La primera fusión de agujeros negros detectada en 2015 por la colaboración científica LIGO generó, durante algunos milisegundos, ondas gravitacionales con una potencia máxima de 3,6 x 1049 vatios (3,6 seguido de cuarenta y nueve ceros). El LISA será capaz de medir emisiones mucho más débiles que las registradas por el LIGO.

Pese a que es débil, la perturbación generada por las ondas gravitacionales producidas por sistemas binarios con planetas de período orbital ultracorto ofrece una ventaja para su observación, según los autores del estudio: sus emisiones serán prácticamente continuas, periódicas, en lugar de ser un evento fuerte pero puntual, que no se repite, como fue el caso de lo que registró el LIGO. “Así es que podremos estudiar diariamente las ondas gravitacionales generadas por esos sistemas planetarios”, dice Lima. Mientras el planeta orbite en torno a su estrella, su señal de ondas gravitacionales se producirá en un intervalo de tiempo fijo y, en teoría, el LISA podrá medirla. En el caso de los planetas cuyo año orbital se resume a una hora, las ondas podrían registrarse decenas de veces en un solo día de observación.

Para el astrofísico Odylio Aguiar, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), que forma parte de la colaboración científica LIGO, difícilmente se podrán descubrir nuevos exoplanetas a partir de la detección de ondas gravitacionales en sistemas binarios, incluso después de que comience a operar el LISA. “Los exoplanetas analizados en el paper de Monthly Notices estarán comprendidos en la región de la curva de sensibilidad del LISA denominada binarias galácticas insolubles”, explica Aguiar. “En esa región hay tantos sistemas binarios en nuestra galaxia que la suma de todas sus señales produciría un ruido de fondo astrofísicos que, en la práctica, tornará casi imposible el hallazgo de nuevos exoplanetas. Será más sencillo confirmar, por medio de las ondas gravitacionales, los exoplanetas ya identificados mediante otros métodos”. Según Aguiar, con el LISA solo será posible la detección de exoplanetas que se hallaran a pocos años luz de distancia de la Tierra y, por lo tanto, fuera de la región de las binarias galácticas insolubles. Lima y sus colegas están al tanto de ese problema, pero son más optimistas en cuanto al potencial de las ondas gravitacionales para el descubrimiento de ciertos tipos de exoplanetas.

Proyecto
Llama: Un radiotelescopio para la detección de ondas mm/ sub-mm en los Andes, en colaboración con Argentina (nº 11/51676-9); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Jacques Lépine (USP); Inversión R$ 32.187.641,01

Artículo científico
CUNHA, J. V. et al. Gravitational waves from ultra-short period exoplanets. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 21 jun. 2018.

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