NASA /JPL-Caltech /T. Pyle
Concepción artística del exoplaneta Kepler-186f, el primero que se descubrió con un tamaño cercano al de la TierraNASA /JPL-Caltech /T. PyleLa ilustración de estas páginas muestra cómo imaginó un artista al exoplaneta Kepler-186f en abril de 2014. En ese momento, los astrónomos confirmaron que dicho planeta, situado a 500 años luz del Sistema Solar, tenía la masa y el tamaño similares a los de la Tierra. Observaciones realizadas por el telescopio espacial Kepler también sugirieron que la distancia entre el mismo y su estrella, la enana roja Kepler-186, haría posible la existencia de agua en estado líquido. Por esta razón, los científicos anunciaron que Kepler-186f es el primer exoplaneta rocoso descubierto en la zona habitable de su estrella. Inspirada en este descubrimiento, la ilustración muestra la superficie del Kepler-186f parecida a la de la Tierra, con continentes y océanos, un paisaje propicio para el desarrollo de formas de vida similares a la existentes en nuestro planeta.
Con todo, nuevas observaciones de la estrella Kepler-186 sugieren que la superficie de Kepler-186f puede ser muy distinta, y mucho menos favorable a la existencia de la vida, al menos, a la de la vida tal como se la conoce. En colaboración con un equipo internacional de científicos, la astrónoma Kátia Cunha, del Observatorio Nacional, con sede en Río de Janeiro, y su alumno de doctorado Diogo Souto, realizaron el primer análisis minucioso de la composición química de la estrella Kepler-186. Ese estudio salió publicado en febrero de este año en la revista Astrophysical Journal, y muestra también el análisis químico de otra enana roja llamada Kepler-138, alrededor de la cual orbita el menor exoplaneta rocoso hasta ahora descubierto, del tamaño de Marte. Ésta fue la primera vez que los astrónomos logran medir la abundancia química de las enanas rojas con una precisión similar a la que se logra al observar estrellas similares al Sol.
El análisis de la luz emitida por una estrella, el llamado espectro de la estrella, permite en general conocer la abundancia de los elementos químicos que la componen. Sin embargo, Souto explica que las temperaturas en la atmósfera de las enanas rojas son lo suficientemente bajas como para permitir la formación de moléculas de agua, óxido de titanio y óxido de vanadio. Cuando se observan esas estrellas en la franja de la luz visible, el óxido de titanio enmascara la presencia de varios elementos químicos. Sin embargo, Souto demostró que en el infrarrojo es posible detectar y medir la abundancia de 13 elementos químicos en ellas.
Souto y Cunha emplearon datos obtenidos con el Apogee, un espectrógrafo de alta precisión instalado en un telescopio del estado de Nuevo México, en Estados Unidos, para estimar la concentración de distintos elementos químicos en ambas estrellas, y arribaron a la conclusión de que Kepler-186f contiene más silicio que el Sol. Este exceso de silicio haría que los exoplanetas situados alrededor de la enana roja estén compuestos por rocas tan duras que impedirían la formación de placas tectónicas en la corteza.
Sin placas tectónicas, no habría procesos de reciclado de gases, líquidos y rocas que, en la Tierra, y en el transcurso de miles de millones de años, determinaron la composición química de la atmósfera, de los continentes y de los océanos. Sin océanos ni continentes constantemente alterados por el movimiento de placas tectónicas, Kepler-186f tendría una superficie relativamente inmutable, posiblemente desierta.
En tanto, la otra enana roja, Kepler-138, exhibió una concentración de silicio similar a la solar. Por ende, su pequeño exoplaneta rocoso tendría una composición favorable a la formación de placas tectónicas. Pero el mismo está demasiado cerca de la estrella como para tener agua líquida en su superficie.
Danielle Futselaar/ SETI
Representación artística de la enana roja Kepler-138 y su exoplaneta rocoso, menor que MarteDanielle Futselaar/ SETI“Estudios como éste son de gran importancia para la astronomía de los exoplanetas”, dice Souto. “En el marco de una misión futura de la Nasa llamada Tess, se observarán preferentemente las estrellas de baja masa, las más abundantes en la galaxia, a los efectos de realizar un estudio detallado de su composición química, algo importante para conocer las propiedades de sus exoplanetas.”
Hierro, oxígeno y océanos
Las conclusiones de Souto, Cunha y sus colaboradores sobre la superficie del Kepler-186f son el resultado de la aplicación de un modelo matemático desarrollado en 2016 por los geofísicos Cayman Unterborn, de la Universidad del Estado de Arizona, y Wendy Panero, de la Universidad del Estado de Ohio, ambas en Estados Unidos. Este modelo permite estimar, con base en observaciones astronómicas de la composición química de una estrella, cómo sería la composición mineral de los planetas rocosos que se formaron a su alrededor. “La composición de la estrella sirve de referencia para las posibles composiciones de sus planetas”, dice Unterborn.
Unterborn y Panero elaboraron ese modelo con base en aquello que los astrónomos y los geofísicos saben acerca de la composición del Sol y de la formación del Sistema Solar. Los planetas se formaron partiendo de un disco de gas y polvo del mismo material primordial que dio origen al Sol. Las colisiones ocurridas durante centenas de millones de años entre el material del disco llevaron a esos granos de polvo a aglutinarse en cuerpos cada vez mayores hasta producir los planetas rocosos. Este proceso de formación planetaria es el que los geofísicos estadounidenses simulan de modo simplificado con su modelo para calcular la composición mineral de los exoplanetas con base en la constitución química de sus estrellas.
Una de las principales conclusiones que se desprenden de ese modelo indica que la abundancia del elemento químico oxígeno en el disco protoplanetario puede restringir el tamaño de los núcleos de los planetas. Un planeta rocoso como la Tierra posee un núcleo de hierro metálico envuelto por un manto espeso. Éste a su vez está cubierto por una fina corteza que forma la superficie terrestre. “En el manto, el oxígeno reacciona con el hierro y crea óxidos demasiado livianos como para hundirse hasta el centro del planeta”, explica Unterborn. “En lugar de ello, esos óxidos permanecen en el manto e influyen en la composición de los minerales”. La cantidad de oxígeno también controla la presencia de agua en el manto y la posibilidad de que el planeta tenga océanos.
Mientras que el núcleo está hecho casi exclusivamente de hierro, el manto y la corteza están compuestos por minerales que contienen diversos elementos químicos, de los cuales el principal es el silicio. “Al estimar la composición química de la parte exterior al núcleo del planeta, que es rica en silicio, logramos modelar el proceso que calienta las rocas del manto y forma la corteza”, explica Unterborn. “Si parte de la corteza está compuesta por un material más denso que el del manto que está debajo de ella, entonces el planeta puede desarrollar una dinámica de placas tectónicas.”
Para poner a prueba este modelo con observaciones astronómicas, Unterborn y Panero trabajan desde mediados del año pasado con Johanna Teske, del Instituto Carnegie, en Estados Unidos, y otros astrónomos que utilizan el espectrógrafo Apogee, montado en el telescopio de la Fundación Sloan en el Observatorio Apache Point, en Nuevo México. Con el Apogee han analizado las líneas espectrales en el rango de frecuencias del infrarrojo de aproximadamente 200 mil estrellas de la Vía Láctea. El objetivo principal es utilizar la composición química de las estrellas para entender la historia de la formación de la galaxia (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 232).
Algunas de las estrellas que se observaron con el Apogee también fueron blancos del telescopio espacial Kepler, proyectado para buscar señales de la presencia de exoplanetas en variaciones de la intensidad del brillo de las estrellas, y son ahora investigadas por Teske y sus colaboradores. Los científicos están aplicando el modelo de Unterborn y Panero para deducir las propiedades de los exoplanetas rocosos identificados con el Kepler alrededor de esas estrellas.
El silicio y los continentes
En el encuentro de la Sociedad Astronómica Americana, realizado en enero de este año en Texas, el equipo presentó los primeros resultados del análisis de la composición química de los planetas que orbitan alrededor de dos estrellas parecidas al Sol, que es una enana amarilla. Los investigadores se valieron de la diferencia entre la química de Kepler-102 y la de Kepler-407 para ejemplificar de qué modo la abundancia de silicio de una estrella constituye un fuerte indicador de los minerales encontrados en mayor cantidad en los planetas rocosos que la orbitan.
En el caso de Kepler-102, cuya concentración de silicio es similar a la del Sol, los científicos prevén que sus exoplanetas rocosos tendrían una corteza y un manto ricos en minerales del grupo de los olivinos, igualmente abundantes en el manto y en la corteza terrestre. En tanto, en el caso de Kepler-407, con una concentración de silicio muy superior a la solar, su exoplaneta con dimensiones similares a las de la Tierra, Kepler-407b, tendría una corteza rica en diópsido y un manto con una gran abundancia de granates, minerales más duros y densos que los olivinos, los más abundantes en la Tierra. Según Unterborn, esta combinación impediría la formación de placas tectónicas.
Al tener minerales más densos, Kepler-407b puede poseer una masa mayor que la terrestre, aunque su radio es similar al de la Tierra. Futuras observaciones de ese planeta, que se realizarán con una nueva generación de telescopios más potentes, pueden confirmar o refutar este pronóstico. “Por ahora, la incertidumbre referente a las medidas es grande aún”, dice Unterborn.
Tal como muestra el trabajo de Souto, Cunha y sus colaboradores, el modelo de Unterborn y Panero también puede emplearse para estimar la composición de exoplanetas en otros tipos de estrellas, no solamente en las enanas amarillas como el Sol. De todas ellas, las más importantes son las enanas rojas, que representan el 70% de las estrellas de la Vía Láctea, mientras que las enanas amarillas suman entre el 7% y el 8% de las estrellas de la galaxia. Por ser pequeñas, con menos de la mitad del tamaño del Sol, las enanas rojas facilitan la detección de los exoplanetas que pasan delante de ellas. Como esas estrellas son menores, los planetas, al atravesarse en su camino, provocan una reducción mayor y más fácilmente detectable de la luz que llega a la Tierra.
Este año, astrónomos que trabajan con los telescopios espaciales Spitzer y Hubble, de la Nasa, y el telescopio terrestre Trappist, del Observatorio Europeo Austral, descubrieron una cantidad récord de siete exoplanetas alrededor de una enana roja llamada Trappist-1. Estos planetas tienen una masa y un tamaño similares a los de la Tierra, y tres de ellos se encuentran en la zona habitable de la estrella. “Trappist-1 está en el hemisferio Sur y sólo lograremos observarla cuando el instrumento Apogee-2 se encuentre instalado en el Observatorio Las Campanas, en Chile”, comenta Souto. “Formulamos una solicitud para observarla antes de noviembre y esperamos tener algún resultado sobre su composición química antes de fin de año.”
Artículo científico
SOUTO, D. et al. Chemical abundances of M-dwarfs from the Apogee survey. I. The exoplanet hosting stars Kepler-138 and Kepler-186. The Astrophysical Journal, v. 835 (2). 1º feb. 2017.
