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ASTROFÍSICA

Mundos como el nuestro

Una nueva generación de espectrógrafos hará posible el hallazgo de planetas gemelos a la Tierra

Para el año próximo, con la entrada en operación de dos espectrofotómetros de última generación con nombres parecidos –el americano Express y el europeo Expreso–, dará comienzo una nueva etapa en la búsqueda de planetas rocosos similares a la Tierra allende al Sistema Solar, las denominadas exotierras. El primero de los aparatos se encuentra en la etapa final de pruebas en Estados Unidos y el segundo, se está instalando en Chile. Esta clase de instrumentos separan la luz emitida por las estrellas en sus diferentes longitudes de onda y posibilita el estudio de algunas características físicas y químicas de los objetos celestes, pudiendo determinarse así su desplazamiento relativo en el espacio. Con el Express y el Expreso, los astrofísicos esperan tener por primera vez la capacidad de detectar y estudiar planetas gemelos a la Tierra en las cercanías de estrellas vecinas similares al Sol.

Un sistema ideal estaría compuesto por una Tierra gemela, con masa y tamaño iguales o casi iguales a los de la Tierra, ubicada aproximadamente a la misma distancia de su estrella que la que separa a nuestro planeta del Sol, o sea, en la zona habitable donde podría haber agua líquida, un requisito primordial para la existencia de la vida. Pese a que en las últimas dos décadas se han descubierto más de 3.500 exoplanetas y que existen otros 4.500 candidatos por verificarse, poco más de una docena de ellos exhiben un buen grado de similitud con la Tierra. Por el momento, según el catálogo creado y actualizado periódicamente por el Laboratorio de Habitabilidad Planetaria de la Universidad de Puerto Rico, en Arecibo, el exoplaneta que orbita a la estrella más cercana a nosotros –Próxima Centauri, a 4,2 años luz de distancia–, es lo más parecido a la Tierra que se haya detectado (observe el gráfico de arriba).

De funcionar de modo satisfactorio, los nuevos espectrógrafos tendrán una resolución 10 veces superior a la de los mejores instrumentos actuales y podrán medir el leve efecto gravitatorio causado periódicamente por una gemela de la Tierra sobre la órbita de su estrella, algo similar a un breve zarandeo que altera levemente la trayectoria y la velocidad con que la estrella se aleja o aproxima a la Tierra, denominada velocidad radial. El registro de este tipo de perturbación, por medio del efecto Doppler, fue el método que emplearon en 1995 los astrofísicos del Observatorio de Ginebra, en Suiza, para detectar al primer exoplaneta orbitando a una estrella del tipo solar, un gigante gaseoso con la mitad de la masa de Júpiter, ubicado muy cerca de su estrella.

El problema es que los mundos rocosos pequeños, a semejanza de la Tierra, provocan oscilaciones gravitatorias tan tenues en estrellas similares al Sol, que ni los mejores espectrómetros actuales logran detectarlas. El más potente de estos dispositivos en funcionamiento en la actualidad –el Harps, que se encuentra instalado en el observatorio de La Silla, un emplazamiento del Observatorio Europeo del Sur (ESO, por sus siglas en inglés), en el sur de Chile– registra variaciones con un mínimo de 1 metro por segundo (m/s) en la velocidad radial de las estrellas. “La Tierra no podría ser detectada por un extraterrestre valiéndose de nuestra tecnología actual”, expresa a modo de comparación la astrofísica Debra Fischer, de la Universidad Yale, en Estados Unidos, al mando del proyecto Express. Solamente podría detectar a los planetas mayores del Sistema Solar”.

La masa de Júpiter, el mayor planeta del Sistema Solar, es 317 veces mayor que el de la Tierra. Su atracción gravitatoria provoca un efecto Doppler sobre el Sol de 13 m/s. La gravedad de la Tierra causa una perturbación mucho más sutil: afecta la velocidad radial del Sol haciéndolo oscilar 10 centímetros por segundo (cm/s) en cada revolución completa del planeta en torno a la estrella. Los planetas externos al Sistema Solar semejantes a la Tierra causarían perturbaciones de esa índole, de unos pocos cm/s, sobre la órbita de su estrella madre. Ese es el nivel de resolución que el Express y el Expreso necesitan alcanzar para ser útiles en la búsqueda de análogos a la Tierra.

Cuanta menor fuera la distancia y mayor la masa de un exoplaneta en relación con su estrella, mayor será la variación en la velocidad radial de esa estrella. “Ansiamos encontrar planetas rocosos dentro de la zona confortable de su estrella”, comenta el astrofísico Francesco Pepe, del Observatorio de Ginebra, coordinador del proyecto Expreso y que también trabajó en el desarrollo del Harps. El Expreso es una iniciativa plurinacional en la cual participan Suiza, Italia, España y Portugal, en el marco de un convenio con el ESO. Se encuentra actualmente en proceso de instalación en el Very Large Telescope (VLT), un conjunto formado por cuatro telescopios principales, cada uno dotado con un espejo de 8,2 m, en Cerro Paranal, el enclave del ESO en Chile. “El Expreso puede funcionar solamente con uno, o bien, con los cuatro telescopios del VLT”, explica Pepe. El costo estimado del espectrofotómetro es de 23 millones de euros.

Debra Fischer, que fue coautora del descubrimiento del primer sistema con más de un exoplaneta en 1999, estuvo en São Paulo en septiembre de este año para participar en el congreso anual de la Sociedad Astronómica Brasileña (SAB). En su disertación, habló de la búsqueda de exotierras y del Express, que costó alrededor de 5,2 millones de dólares. A finales de octubre, se estará terminando el montaje del espectrógrafo en el Telescopio del Canal Discovery, dotado de un espejo con un diámetro de 4,3 m, ubicado en el Observatorio Lowell, en Arizona, Estados Unidos. “Para el 9 de diciembre, está programada la primera luz del Express”, comenta Fischer, quien desde 2014 lleva adelante un proyecto para encontrar 100 exoplanetas parecidos a la Tierra en las inmediaciones del Sistema Solar. El Discovery es un telescopio más modesto que el VLT, con capacidad para efectuar mediciones en estrellas de menor brillo. Los constructores del Express, sin embargo, esperan compensar esa desventaja con la adopción de un calendario de uso de su espectrógrafo más flexible que el adoptado por el Expreso en el VLT, uno de los telescopios más disputados del mundo. “Disponer de mayor tiempo para realizar observaciones hace toda la diferencia”, opina el astrofísico José Dias do Nascimento Júnior, de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), responsable de la llegada de Fischer para el congreso de la SAB. “En ocasiones, tenemos que seguir durante dos años a un exoplaneta para poder determinar su órbita”.

El Express tan sólo cubrirá el cielo del hemisferio norte. La astrofísica de Yale propone que haya un clon de ese espectrógrafo instalado en un telescopio del hemisferio sur. “El Soar, en Chile, es muy similar al Discovery y sería fácil instalar en el mismo una réplica del Express”, comenta Fischer. El Observatorio Austral de Investigación Astrofísica, tal el nombre completo del Soar, posee un telescopio cuyo espejo, de 4,1 m de diámetro fue construido y se mantiene con inversiones de Brasil, Estados Unidos y Chile. El costo de implantación de esa réplica del Express, denominada Sorceress, implicaría un desembolso de 3,6 millones de dólares. “El instrumento es bueno, sin duda, y en principio el interés existe”, comenta Bruno Vaz Castilho, director del Laboratorio Nacional de Astrofísica (LNA), que administra la participación brasileña en el Soar. “Pero el comité científico del telescopio debe evaluar si el mismo se ajusta a las operaciones y con la propuesta futura de investigaciones del Soar”.

Las soluciones tecnológicas que emplean el Expreso y el Express son diferentes, pero básicamente intentan resolver los mismos problemas con el objetivo de alcanzar la precisión deseada: el mantenimiento de la parte óptica del espectrógrafo en un ambiente de vacío, presión y temperatura (de alrededor de -200º Kelvin) controlados. La conexión entre los instrumentos y los telescopios donde se los está instalando se realiza por medio de una red de fibras ópticas. “Se están construyendo otros espectrógrafos de última generación, pero sólo nosotros y el Express asumimos públicamente la meta de medir variaciones en la velocidad radial de las estrellas del orden de 10 cm/s”, comenta Pepe, del proyecto Expreso. Para lograr ese grado de precisión, los dispositivos deberán ser capaces de distinguir inestabilidades típicas de la superficie de las estrellas –calderas burbujeantes y magnetizadas con gases que se desplazan a cientos de metros por segundo– de la leve sacudida gravitatoria de 10 cm/s provocada en la órbita de esa misma estrella por un planeta como la Tierra.

Técnicas complementarias
El anhelo de los astrofísicos consiste en la obtención de imágenes directas, preferentemente en el campo de la luz visible, de los nuevos mundos que buscan en torno a otras estrellas que no son el Sol. Pero la luminosidad de las estrellas es tan potente que invisibiliza a los eventuales exoplanetas de su entorno próximo. Tal vez los nuevos supertelescopios que comenzarán a operar en los años 2020, tales como el GMT y el E-ELT, puedan alcanzar esa meta. Por ahora, poco más del 1% de los 3.510 planetas extrasolares descubiertos en las inmediaciones de 2.615 estrellas fueron identificados mediante la obtención de imágenes de baja resolución de esos objetos celestes ocultos. Casi en el 99% de los casos, la presencia de los exoplanetas pudo deducirse por efectos indirectos que los cuerpos celestes provocan sobre sus estrellas. La técnica del microlente gravitatorio, que mide alteraciones en la curva de la luz, fue la responsable del descubrimiento de algo más del 1% de los planetas extrasolares. Entre 1995 y 2010, la mayoría de los exoplanetas fueron detectados por medio de la técnica de la velocidad radial. En años más recientes, con el envío al espacio de misiones destinadas a la prospección de exoplanetas, como son los casos del satélite francés CoRoT y, sobre todo, el estadounidense Kepler, el método de tránsito se convirtió en el más productivo en función del número de exoplanetas hallados. El tránsito mide la disminución del brillo provocada por el paso de un exoplaneta frente a su estrella madre, algo así como un minieclipse. Hoy en día, el 18% de todos los exoplanetas confirmados fueron descubiertos por medio de la técnica de la velocidad radial y un 78% por el tránsito. Ambos métodos, sin embargo, presentan un sesgo común: propician la localización de exoplanetas gigantes, generalmente gaseosos, o bien, en la mejor de las hipótesis, mundos rocosos mayores que la Tierra.

Casi un 20% de los exoplanetas se han descubierto valiéndose del método de la velocidad radial

Ambas técnicas no son abordajes antagónicos, sino más bien de carácter complementario. “La velocidad radial sirve para determinar la masa mínima que puede tener un exoplaneta”, explica Eduardo Janot Pacheco, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), quien coordinó la participación brasileña en el CoRoT y es fundador de la recientemente creada Sociedad Brasileña de Astrobiología. “La técnica del tránsito aporta el tamaño y el diámetro del exoplaneta. Uno de los métodos ayuda a confirmar el descubrimiento hecho por el otro y a pulir los datos”. Con esos dos parámetros, masa y volumen, puede calcularse la densidad aproximada de un objeto y, de tal manera, tener alguna noción si el exoplaneta es sólido o gaseoso. No faltarán nuevos o antiguos colaboradores, que utilicen el método del tránsito para armar una dupla de trabajo con el Express y el Expreso, o incluso con otros espectrógrafos. En 2018, la NASA enviará al espacio el satélite Tess, que será el sucesor del Kepler. En la próxima década, la agencia espacial europea (ESA) proyecta llevar al espacio la misión Plato, que empleará el método del tránsito en la búsqueda de Tierras gemelas.

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