miércoles, 27 de enero de 2010

Planetas extrasolares

Esta entrada se ha escrito para celebrar la tercera edición del Carnaval de la Física que se organiza este mes en el blog Leonardo da Vinci.




Planetas extrasolares


La existencia de los planetas extrasolares o exoplanetas fue teorizada primero muchos años antes de poderse realizar su descubrimiento.
Aleksander Wolszczan, astrónomo polaco anunció el descubrimiento de los primeros exoplanetas en 1992. Encontró tres objetos subestelares orbitando en torno a un púlsar. Análisis posteriores confirmaron que estos exoplanetas nacieron como consecuencia de la acreción del material que eyectó la supernova, y que generó también el púlsar.
Tras este descubrimiento se inició una carrera entre los científicos para ver quién hallaba el primer exoplaneta en torno a una estrella similar al Sol. Así, el 6 de octubre de 1995, los suizos Michel Mayor y Didier Queloz anunciaron el descubrimiento de un planeta orbitando a la estrella 51 Pegasi, al que se llamó 51 Pegasi b. Este planeta pertenece a la categoría de planetas tipo “Júpiter calientes”, es decir, planetas gaseosos gigantes similares a Júpiter, pero que se encuentran muy cerca de sus estrellas.



Antes de este descubrimiento se pensaba que los planetas gigantes gaseosos no se podían formar a distancias tan cercanas a sus estrellas, así que 51 Pegasi b, abrió camino a unas nuevas investigaciones sobre la migración planetaria. Ésta consiste en la migración de los planetas desde sus órbitas originales más alejadas de la estrella, a órbitas más cercanas a su astro.
Tradicionalmente, se nombran los planetas extrasolares usando el nombre de su estrella primaria más una letra minúscula ordenadas según el orden del descubrimiento de los diferentes exoplanetas existentes en torno a una estrella, empezando con "b" y siguiendo con c, d, e, f,.... Las letras mayúsculas A, B, C, D se usan para los compañeros estelares. Es decir, en una estrella doble, por ejemplo Sirio, la componente principal es Sirio A, mientras que la secundaria se llamaría Sirio B.
Hoy en día sigue la búsqueda frenética de exoplanetas. Los científicos tratan de hallarlos en la zona conocida como zona de habitabilidad, que consiste en un área del espacio teórica que rodea a una estrella, dentro de la cual, un planeta puede presentar las condiciones necesarias para albergar vida. Pero estudios actuales sugieren que esta zona puede variar por ejemplo en el caso de las lunas. Se sospecha que bajo la superficie helada de Europa, un satélite de Júpiter puede haber vida. Encélado, una luna de Saturno, también es candidato a albergar vida. La Cassini fotografió géiseres de agua procedentes del subsuelo de esta luna. Otra luna candidata en nuestro Sistema Solar es Titán, la luna más grande de Saturno. Al igual que la Tierra, posee una densa atmósfera, y mares y ríos compuestos de etano y metano.



Pero volviendo a las características que hay que analizar en un planeta para averiguar si es candidato a albergar vida o no, no solamente debemos fijarnos en el área marcada por la zona de habitabilidad. También hay otras características que han de estar presentes tanto en el planeta como en la estrella. Entre ellas tenemos:
- La temperatura superficial de la estrella debe oscilar entre los 4.000 y 7.000 grados Kelvin. Nuestro Sol se encuentra justo en la mitad de estos valores.
- La radiación ultravioleta que emiten estas estrellas no debe superar ciertos valores para así no destruir la atmósfera del planeta.
- El planeta no debe mostrar siempre la misma cara a la estrella, fenómeno que se denomina acoplamiento de marea. Así las temperaturas no serán extremas en las superficies expuestas y ocultas a su sol.
- La estrella no sufrirá variaciones importantes en cuanto a tamaño o brillo.
- Las estrellas ricas en metales son las más propensas a poseer sistemas planetarios.
- Los planetas deben tener una masa suficiente para poder conservar su atmósfera.
- La excentricidad orbital del planeta no debe de ser muy grande y sus variaciones estacionales deben ser moderadas.
- La vecindad galáctica debe ser la adecuada: no tener cerca fuentes de rayos gamma, agujeros negros, etc.

Analicemos ahora los métodos de detección de los exoplanetas:

-Método de las velocidades radiales: La velocidad radial es la componente de la velocidad con la que un astro se acerca o se aleja de la Tierra. Estas variaciones se detectan estudiando el espectro de la estrella, que si presenta algunas anomalías, han de analizarse para determinar si se producen por la presencia o no de un exoplaneta.



-Método de la astrometría: Del mismo modo que la estrella ejerce una fuerza gravitatoria sobre el planeta, éste también ejerce una fuerza de esta naturaleza sobre su estrella, lo que hace que ambos giren en torno a un centro de masas común. Es decir, podemos medir la desviación que sufre la estrella en su órbita a causa de la presencia del planeta.



- Método de los tránsitos: Consiste en observar los cambios de luz que se producen en las estrellas cuando los planetas transitan por delante de ellas. La sonda Kepler, lanzada en el 2009, tiene la sensibilidad suficiente como para detectar planetas similares a la Tierra con este método.



-Método de las perturbaciones gravitatorias en los discos de polvo: En las estrellas jóvenes con discos de polvo alrededor se puede detectar la presencia de un exoplaneta por las irregularidades que presenta el disco protoplanetario ocasionadas por la interacción gravitatoria de este objeto. Para entender este método pensemos un momento en los satélites de Saturno. Los anillos no son uniformes sino que tienen una serie de divisiones provocadas por las perturbaciones que generan los denominados satélites pastores.




- Método de la detección visual directa: Las fotografías directas a los exoplanetas se realizan desde hace poco tiempo, pero los resultados futuros prometen. Incluso se ha logrado obtener el espectro de un planeta extrasolar. El espectro nos proporciona una "huella química", es decir, nos ofrece datos directos sobre la composición del planeta. Pero su análisis aún no ha terminado y en un principio los datos aportados están generando controversia entre los científicos.





La mayoría de los planetas detectados son gigantes gaseosos tipo Júpiter que orbitan cerca de sus estrellas. Esto no quiere decir que estos planetas sean los más comunes en el Universo, sino que son los más fáciles de detectar. Cada vez se están encontrando planetas más parecidos a la Tierra. Algunos de ellos son los denominados súper-Tierras, planetas que poseen unas diez masas terrestres. De momento son pocos los que se han localizado en la zona de habitabilidad, pero con la misión Kepler, se espera que se anuncie este descubrimiento en un periodo de tiempo breve. A pesar de ello, hoy contamos con un buen muestrario de distintos tipos de exoplanetas. Tenemos algunos localizados en sistemas caóticos a los que no les espera un buen futuro. Otros orbitan alrededor de sistemas de estrellas binarias. Los hay que giran en órbitas retrógradas alrededor de sus soles, es decir, como si hubieran sufrido un gran impacto que los hubiera desplazado de sus órbitas originales. Incluso algunos poseen atmósferas gruesas, pero tan cerca de sus estrellas que la temperatura es muy superior a la que podría sustentar vida.

Una ilustración de una súper-Tierra



Los anuncios de prensa sobre los descubrimientos de exoplanetas y las nuevas formas de detectarlos se suceden continuamente. En diciembre de 2009 se publicaba el hallazgo de un exoplaneta que se había detectado por las irregularidades que presentaba en la órbita otro planeta existente en el sistema. De esta misma forma se encontró Neptuno en nuestro Sistema Solar. Los movimientos orbitales que presentaba Urano no cumplían las leyes de Newton, así que la única alternativa para explicar esta anomalía era la existencia de otro planeta que alterase su trayectoria produciendo las irregularidades observadas. Realizando laboriosos cálculos matemáticos, el astrónomo Urbain Le Verrier, el 23 de septiembre de 1846, predijo dónde de encontraría Neptuno. Esa misma noche fue localizado.
Lo que parece seguro, es que a corto plazo, los astrofísicos tal vez tengan que replantearse su definición de planeta a raíz de estos nuevos descubrimientos, ya que aún no se ha establecido claramente el límite entre planeta y enana marrón.
Esta rama de la astrofísica está avanzando rápidamente y pronto se escribirá otro capítulo en la historia del estudio de los exoplanetas.

Ahora veamos más detalladamente algunos de estos exoplanetas localizados.

- Corot 7 es una estrella de magnitud 12 situada en la constelación de Monoceros. En torno a esta estrella se han localizado dos exoplanetas, Corot-7b y Corot-7c. Este sistema se encuentra a 500 años luz de la Tierra y llama la atención la naturaleza de Corot-7b. Este planeta se encuentra a 2,5 millones de kilómetros de su estrella y orbita cada 20,4 horas. Es un planeta rocoso que siempre muestra la misma cara hacia su estrella, alcanzando en dicha superficie una temperatura de 2.000-3.000 grados centígrados; y el lado oscuro, muy frío, alcanza sólo 223 grados centígrados bajo cero. Con estas temperaturas tan altas en el lado iluminado, las rocas se vaporizan, y por ello, se están formando nubes de rocas en el aire, lo que provoca que "lluevan piedras". Con una densidad parecida a la terrestre, su diámetro es cinco veces superior al de nuestro planeta.
Los nuevos datos logrados sobre este sistema revelan que su órbita es casi perfectamente circular y que su superficie está fuertemente sometida a erupciones volcánicas. Corot-7b podría tener mayor actividad volcánica que la luna de Júpiter, Io, el objeto celeste con mayor actividad de este tipo en nuestro Sistema Solar. Por ello, según estos datos, es posible que la superficie de Corot-7b sea un continuo mar de magma.
Para Rory Barnes, de la Universidad de Washington en Seattle, y su equipo, encargados de esta investigación, el vulcanismo tiene implicaciones para el desarrollo de la vida, porque rehace constantemente la superficie de un planeta, haciendo muy difícil para cualquier organismo obtener un punto de apoyo en el que desarrollarse. Para Barnes, cualquier desviación de una órbita circular, incluso de sólo 250 Km., causaría en Corot-7b, el suficiente tirón gravitatorio como para provocar las fuerzas de marea necesarias para generar este vulcanismo. Se ha calculado que el siguiente planeta de este sistema, Corot-7c, podría ser el causante de estas fuerzas. La Tierra también experimenta este tirón gravitacional, pero nuestros océanos absorben esta energía. Corot-7b experimenta fuerzas de gravedad diferentes sobre su superficie rocosa a lo largo de su órbita, siendo mayor el tirón gravitacional cuando está más cerca de su estrella, y menor cuando está más alejado. Esta diferencia hace que se estire y se relaje en los diversos puntos de su superficie. Esta flexión produce una fricción que calienta el interior del planeta generando la actividad volcánica detectada en su superficie.


Brian Jackson estudió la evolución de este planeta creando una simulación que retrocedía en su evolución en el tiempo, y encontró que su estrella le arrancó gran parte del material que componía Corot-7b en su anterior vida de gigante gaseoso. Este científico calculó que la órbita del exoplaneta estaba anteriormente alrededor del 50% más alejada de su estrella de lo que actualmente está. En ese estadio, el viento estelar interactuó con la atmósfera gaseosa de Corot-7b expulsándola al espacio exterior. Entonces se comenzó a producir una interacción compleja entre el planeta y la estrella debido a la pérdida de masa y a sus consecuencias gravitacionales.
A medida que Corot-7b perdía masa, se produjo el proceso de migración, acercándose el exoplaneta hacia su estrella, debido a las fuerzas de marea. En este proceso, el gas se evaporaba cada vez más rápido cuanto más se aproximaba, ya que se calentaba más. De esta forma, Corot-7b perdió casi toda su masa, quedando sólo el núcleo rocoso del planeta.
Corot-7b puede ser el primero de una nueva clase de planetas rocosos, constituidos por los remanentes de los gigantes gaseosos, es decir, por los núcleos de los planetas tipo Júpiter. Por ello, desentrañar el origen de la pérdida de masa y las migraciones sufridas por estos objetos, puede darnos información sobre la evolución de los planetas similares a la Tierra.
Muchos de los planetas extrasolares descubiertos son gigantes de gas que orbitan cerca de sus estrellas, los llamados "Júpiter calientes". Es posible que muchos de ellos experimenten el mismo destino que Corot 7-b.

- 55 Cancri: Es una estrella de magnitud 6 situada a 41 años luz en la constelación de Cáncer. En realidad esta estrella es un sistema binario compuesto por un astro similar al Sol y por una enana roja situada a 1.065 UA y que posee una magnitud de 13. En este sistema se han descubierto 5 exoplanetas cuyas órbitas tienen periodos de 3, 15, 44, 260 y 4.520 días. Se cree que el planeta más interior "e" es un planeta terrestre grande de aproximadamente 2,5 veces el diámetro de Tierra, con una superficie cubierta de lava y una atmósfera espesa pero transparente. Los otros tres planetas probablemente son gigantes de gas. El planeta "d" parece tener una temperatura y un aspecto similares a los de Júpiter, con un diámetro ligeramente superior. Los planetas "b" y "c", por su temperatura, son probablemente planetas sin nubes. 55 Cancri “f”, con una masa equivalente a la mitad de la de Saturno, y una órbita de 260 días, se encuentra dentro de la zona habitable de la estrella, pero debido a su masa, no puede albergar vida. No obstante, en hipotéticas lunas, en principio, se podría mantener, al menos, vida microscópica.



- Pólux: La brillante estrella Pólux, la más luminosa de Géminis también posee un exoplaneta. Es la estrella más brillante en la que se ha hallado uno de estos objetos. Pólux b tiene una masa de 2,9 veces la masa de Júpiter y describe una órbita casi circular a 1,69 UA de su estrella. Este planeta recibe 16 veces más radiación de la que recibe la Tierra por parte del Sol.



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