Observación de planetas en otras estrellas

Objeto Herbig-Haro en la Nebulosa de Gum (HH8). Crédito: J. Morse/STScI, y NASA/ESA. Observación de planetas en otras estrellas Por Octavio Alonso Lara Lima La astronomía es una ciencia que ha evolucionado rápidamente desde hace varias décadas y con ella nuestra concepción del Universo. Por ejemplo, hace 20 años se tenía la certeza de que existían planetas sólo en nuestro sistema solar y por ende las investigaciones de entonces se centraban en la formación de estrellas, pero el desarrollo de nuevas técnicas y tecnologías de observación ha permitido saber que la mayoría de las estrellas tienen planetas. Un pálido punto azul El Sistema Solar está conformado por una estrella que es el Sol y ocho planetas que orbitan elípticamente alrededor de él; la masa del más grande, Júpiter, es Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 1

nada menos que 318 veces mayor que la de la Tierra. Uno de los objetivos de la comunidad astronómica es comprender cómo se formó el Sistema Solar, un problema estudiado desde tiempos antiguos, por lo que se tienen innumerables observaciones. Un ejemplo fue el registro de la notable alineación planetaria: los planetas están prácticamente en un plano y se mueven alrededor del Sol en la misma dirección, algo que seguramente no se debía a una coincidencia. Así, en 1796 el astrónomo, físico y matemático Pierre-Simon Laplace planteó de manera detallada en su libro Exposición del Sistema del Mundo, la hipótesis de que el Sistema Solar se formó a partir de una gran nube de gas espacial que se contrajo por acción de la gravedad. La razón por la que todo el material de la nube no se contrajo en una sola estrella fue que tenía un cierto grado de rotación, lo cual generó una fuerza centrífuga que impidió que el material se concentrara en el centro. En consecuencia, la nube que originalmente fue esférica, adquirió una forma plana que se mantuvo rotando, y a la que se denomina disco protoplanetario por ser una estructura que antecedió a la formación de los planetas, incluida la Tierra, y después de la vida; literalmente somos material nebular que pudo haber sido una estrella. Creemos que solamente en un sistema estrella-planetas se puede desarrollar la vida, ya que los planetas solos son demasiados fríos y en ellos todo se congela si no existe un suministro de energía. Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 2

Figura 1. La hipótesis nebular es un modelo para explicar la formación del Sistema Solar, fue propuesta por primera vez por Emanuel Swedenborg en 1743 y posteriormente la desarrolló Immanuel Kant. Pero fue Laplace en la Exposición del Sistema del Mundo quien estableció el modelo básico que persiste hasta nuestros días y que después expuso matemáticamente en los cinco volúmenes de su Tratado de la mecánica celeste. A Laplace se le consideró el mejor matemático de su época. Imágenes de dominio público. Estrellas de cine, más no planetas de cine Para los astrónomos las observaciones más importantes siempre han sido las de las estrellas, en cambio los planetas suelen ser menos interesantes, se estudian porque vivimos en uno de ellos. En el siglo pasado se empezó a saber que el Sol es una de las 200 mil millones de estrellas que existen en la Vía Láctea la galaxia donde se encuentra nuestro Sistema Solar y además hay otras nuevas en formación. Nuestra galaxia es una estructura tan grande que la luz tarda 100 mil años en recorrerla de un extremo a otro y se mantiene unida por la fuerza gravitacional de las estrellas. Se encuentra en rotación y eso le confiere una forma aplanada debida a una contracción similar a la de los discos Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 3

protoplanetarios, pero en una escala muy diferente. El 10% de su masa bariónica masa normal de la que estamos formados, fundamentalmente por neutrones y protones está en forma de gas libre y por consiguiente aún es posible la formación de nuevas estrellas; la mayor parte de las estrellas y el gas libre se encuentran en las llamadas regiones o brazos espirales. El Sistema Solar se encuentra ubicado en una orilla de la galaxia, alejado del bullicioso y brillante centro. En el Universo hay aproximadamente otros 100 mil millones de galaxias, así que la posibilidad de que existan otras cosas muy interesantes fuera de nuestro sistema son enormes, sin embargo es posible que nunca lleguemos a ellas porque las distancias entre las galaxias son igualmente gigantescas. Figura 2. Partes de la Vía Láctea. En la imagen podemos observar el Sol, las regiones de formación estelar, los brazos espirales, las regiones con nubes moleculares, el agujero negro central y el bulbo galáctico en el centro de la galaxia. La imagen es una representación artística basada en los últimos datos obtenidos por telescopios y simulaciones computacionales. Fuente: Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 4

Ann Finkbeiner, Galaxy formation: The new Milky Way, Nature. Crédito: Lynette Cook. Imagen adaptada. No es necesario ver qué sucede en todo el Universo para comprender cómo se forman las estrellas y los planetas, basta con espiar a los vecinos, a nuestra vecindad solar. Al observar a través de la galaxia, se pueden diferenciar fácilmente dos tipos de regiones: las brillantes que contienen cantidades considerables de estrellas, y las oscuras que contienen abundante gas libre. Estas últimas también son conocidas como nubes moleculares y es importante observarlas para entender los fenómenos de formación estelar y planetaria. Tienen tamaños de entre 1 y 10 años luz distancia que recorre la luz en el lapso de un año en el vacío, son frías (10-100 Kelvin), el número de moléculas por centímetro cúbico densidad va de las 1,000 a las 10,000 que es un valor muy bajo, y pueden contener una masa de hasta 10,000 masas solares, por ello es posible la formación de muchas estrellas. Para entender el origen de las nubes moleculares es necesario remontarnos a los inicios del Universo. Después de la Gran Explosión (Big Bang), el cosmos se componía básicamente de hidrógeno (93%) y helio (7%), dos gases que por su naturaleza, generan una química prácticamente nula puesto que el helio es un gas noble no le gusta juntarse con nadie y el hidrógeno por tanto sólo tenía como opción más hidrógeno para juntarse, dando como resultado hidrógeno molecular. Con el paso del tiempo, por contracción gravitacional se formaron las primeras estrellas y en su interior se formaron los átomos más pesados, como el carbono y el oxígeno (ver en Cienciorama: Formación estelar ). Al terminar el ciclo de vida de una estrella nacimiento, crecimiento y muerte, expulsan mucha de su masa al medio interestelar y ésta viaja a través del espacio hasta chocar con nubes de gas que formarán nuevas estrellas, pero ahora con una química más rica y compleja. Este ciclo se ha repetido en varias ocasiones, y se estima que el Sol es una estrella de cuarta generación, así que al menos tres generaciones de estrellas han nacido generando elementos más pesados que el helio y han muerto después. No obstante, al paso de millones de años, aún hoy Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 5

estos elementos pesados son una pizca, apenas el 0.1% son elementos diferentes del hidrógeno y el helio. Sin embargo esta pizca de masa estelar es la que dio sabor al Universo, porque con ella la química se volvió interesante y dio paso a la formación de moléculas más complejas; hasta 200 moléculas diferentes han sido detectadas en las nubes moleculares, incluso la del etanol salud! En la nube molecular existe también polvo interestelar, partículas del orden de una millonésima de metro un micrómetro, que tienen núcleos sólidos de grafito, silicatos o hierro, y un manto de hielos de agua, metano o dióxido de carbono. El polvo interestelar se forma en las partes externas de las estrellas viejas y frías. Tales partículas también juegan un papel importante en la síntesis de moléculas, ya que los átomos o moléculas circundantes se adhieren al polvo fenómeno de acreción, se mueven en la superficie del polvo por difusión, reaccionan con otros átomos adheridos para formar moléculas, salen eyectados del polvo y se repite el ciclo. Así se pasa de tener sólo átomos de hidrógeno y helio, a tener pequeñas estructuras sólidas capaces de enriquecer químicamente el medio nebular. En algún momento, la nube pierde su estado de equilibrio y empieza a contraerse para formar una estrella, la razón es gravitacional y es un proceso que tarda alrededor de 10 mil años Que se haga la luz, aunque no sea en el visible Hasta aquí seguramente puede surgir la siguiente pregunta: cómo saben todo esto los astrónomos si tales estructuras están tan lejos de la Tierra? Hay que decir que el estudio de las nubes moleculares no ha sido fácil porque son opacas a la luz visible, es decir que la luz que nuestros ojos pueden percibir no puede atravesar todas las partículas que existen, así que fue necesario el desarrollo de la radioastronomía para estudiar las nubes moleculares y alzar ese velo de oscuridad. Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética que puede atravesar el polvo interestelar. Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 6

Figura 3. Hasta el siglo XX la astronomía se limitó a estudiar el cosmos en una pequeña franja del espectro electromagnético la luz visible, que está entre los 400 y 700 nanómetros de longitud de onda y gracias al avance tecnológico, la franja se hizo más amplia. La observación con un telescopio óptico, como el que tal vez algunos tengan en su casa, es en la franja de luz visible. Para entender esto, durante su charla el Dr. Rodríguez hizo una analogía con las partículas contaminantes que impiden ver el cielo en las ciudades, pero que no obstruyen otros tipos de ondas electromagnéticas y por ello no tenemos problemas en recibir la señal de celulares o nuestra estación de radio favorita. Es así como las ondas de radio registran otras regiones del espectro electromagnético y nos proporcionan otro tipo de información. Por ejemplo, el cercano infrarrojo hace transparentes las nubes moleculares y delata a las estrellas que están adentro o detrás. Las moléculas también emiten radiación en frecuencias bien determinadas y es posible captarlas con radiotelescopios, obteniendo información de su composición. Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 7

Figura 4. Nube Barnard 68 en la constelación de Ofiuco. En la imagen izquierda vemos una nube de gas denso y frío que absorbe la luz de las estrellas que están atrás, lo cual genera una ilusión de vacío en el cielo. Al observar la misma nube en el cercano infrarrojo (derecha), se observan las estrellas que están detrás del velo oscuro; estas técnicas permiten estudiar el Universo de maneras nuevas. Resulta interesante que la forma de estudiar el polvo es captando las ondas milimétricas, radiación que emite el polvo al ser calentado por una estrella cercana. Fuente: Observatorio Europeo Austral. Con estas técnicas astronómicas se observaron en la década de 1980 las nubes moleculares en rotación y se vio que en algún momento se contraen y que no todo el material se va al centro, una parte se mantiene en rotación alrededor de la protoestrella dando lugar a un disco protoplanetario. Cabe decir que las evidencias se empezaron a encontrar desde la década de 1950 con la observación de los llamados objetos Herbig-Haro. Las estrellas jóvenes arrojan chorros de gas en forma perpendicular al disco protoplanetario, el gas colisiona con el medio interestelar y en consecuencia se forman nubes brillantes por fenómenos de ionización; tales nubes normalmente son simétricas (como la de imagen de entrada) y se les conoce como objetos Herbig-Haro. Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 8

Figura 5. Representación artística de la formación de planetas. Recapitulando: inicialmente existe una nube molecular que pierde soporte gravitacional en una región, se contrae gravitacionalmente y como está en rotación no se concentra en un punto y forma un disco. La protoestrella estrella joven lanza unos chorros de gas que viajan por el espacio y chocan con más gas para dar lugar a los objetos Herbig-Haro. El disco original empieza con el paso del tiempo a dar lugar a los planetas; el disco y los chorros finalmente desaparecen y queda algo análogo a nuestro Sistema Solar (Shu, Adams y Lizano, 1986). Polvo eres y planeta serás Con el paso del tiempo el polvo interestelar da paso a la formación de planetas por distintos procesos en el camino. Por ejemplo las partículas de polvo tienen un tipo de resina que las une al chocar entre ellas; esto, a su vez, permite la formación de cuerpos en escalas de centímetros; pero hay muchos pasos en esta transición polvo-planeta que no se comprenden bien. El caso es que después de cierto tiempo los objetos Herbig-Haro se extinguen y en el disco de la protoestrella se forman brechas, zonas radiales a su alrededor en las que hay Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 9

una aparente falta de material nebular que indica la formación de planetas; la vecindad de los pequeños cuerpos en estas zonas se va limpiando poco a poco y ellos aumentan de tamaño. En 10 millones de años está listo un nuevo sistema planetario parecido al nuestro. Ahora se sabe que la formación de planetas es un evento común en las estrellas, y si bien los científicos no son siempre capaces de detectar planetas de forma directa, existen indirectas como la búsqueda de oscilaciones en las estrellas variaciones de la posición por fuerzas gravitacionales o de reducciones en su brillo que se deben a que un planeta pasa entre la estrella de estudio y un telescopio en la Tierra, por lo que se requiere una buena alineación entre la estrella, el planeta y el telescopio, cosa que hace con éxito la misión Kepler de la NASA. Figura 6. Observación de un disco protoplanetario alrededor de la estrella HL Tau (imagen izquierda), en donde se observan las brechas regiones oscuras radiales, en el centro se encuentra una estrella que sugieren la existencia de un planeta. La imagen fue producida con datos obtenidos con el Arreglo Milimétrico de Atacama (ALMA), Chile. Del lado derecho podemos observar el Sistema Solar en una comparación con HL Tau, hecha por el equipo del Dr. Rodríguez Jorge. Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 10

Debemos saber que la mayoría de los planetas no son como la Tierra, es decir, rocosos y con una distancia tal a su estrella que propicia el surgimiento de vida al menos como la conocemos; la mayoría son jovianos, gigantes gaseosos parecidos a Júpiter. Pese a esto se han encontrado un puñado de planetas potencialmente habitables por tener características similares a la Tierra, ya que uno de los intereses fundamentales actuales de la ciencia astronómica y de la biológica es saber si hay vida en otros planetas. Astrónomos en México La historia de la astronomía en México empezó con las culturas prehispánicas, muestras de ello son algunas de las edificaciones que sirvieron como marcadores de puntos importantes del horizonte, como el Caracol de Chichén Itzá y el edificio J de Monte Albán. En 1876 se creó el Observatorio Astronómico Nacional y entró en funciones dos años después en la azotea del Castillo de Chapultepec, que durante los inicios del siglo XX funcionó bajo la dirección del Ing. Joaquín Gallo. Fue hasta 1942 cuando la astronomía mexicana tomó un nuevo impulso a partir de la inauguración del Observatorio de Tonantzintla, Puebla. Durante este periodo surgieron astrónomos importantes como Luis Enrique Erro y Guillermo Haro, este último estudió y descubrió de manera simultánea con George Herbig, los objetos citados en la imagen inicial, de ahí el nombre de objetos Herbig-Haro. En los tiempos recientes nuestro país ha destacado a nivel mundial por la calidad de sus astrónomos, algunos que ya han fallecido como Parish Pismish y otros como Arcadio Poveda, Eugenio Mendoza, Manuel Peimbert y Silvia Torres, forman parte de un sobresaliente grupo. Hablar de la contribución de cada uno llevaría tiempo, pero debemos saber que la astronomía mexicana ha contribuido de manera sobresaliente en el estudio del cosmos. No es exagerado decir que el Dr. Luis Felipe Rodríguez pertenece a este grupo selecto, y agradecemos el tiempo que se tomó para explicar eventos tan importantes en el universo como la formación de planetas. Les sugiero ver la plática completa en YouTube, la recomiendo mucho. Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 11

Bibliografía 1) Finkbeiner A, Galaxy formation: The new Milky Way, Nature News, 3 de octubre, 2012. 2) Franco J., Garay G., Cruz-González I., Lizano S., Torelles, Calvet N., Rodríguez L. F. (compiladores), Formación Estelar, Ediciones Científicas Universitarias, México, 1996. ISBN: 968-16-4437-9. 3) Greaves J., Disks Around Stars and the Growth of Planetary Systems, Science, 7 de enero de 2005, vol. 307, núm. 5706, pp. 68-71. 4) Rodríguez L. F., Un Universo en expansión, Fondo de Cultura Económica, La Ciencia Para Todos, 1986. Platica del Dr. Luis Felipe Rodríguez en Cienciorama: https://www.youtube.com/watch?v=twmi7i3jmu8 Observación de planetas en otras estrellas / CIENCIORAMA 12