Planetas extrasolares con anillos

Entre los casi 550 exoplanetas conocidos, la mayoría son gigantes gaseosos que orbitan su estrella a distancias muy pequeñas. Son los llamados "júpiteres calientes". En nuestro Sistema Solar todos los planetas gigantes presentan anillos, aunque sin duda es Saturno el que se lleva la palma en cuanto a vistosidad. Pero, ¿podrían existir júpiteres calientes con anillos? O mejor dicho, ¿son los "saturnos calientes" frecuentes en nuestra Galaxia?


¿Existirán Saturnos calientes? (NASA).

A primera vista uno puede pensar, ¿y por qué no? ¿Qué tienen de especial los anillos? En realidad el asunto es complejo, ya que debemos tener en cuenta que las partículas que forman los anillos de Saturno están formadas en su mayor parte por hielos -sí, en plural: hielo de agua, de amoniaco, etc.-. Pero un saturno caliente está tan cerca de su astro que las temperaturas deberían causar la sublimación instantánea de estas partículas. Así que está claro que si estos planetas tienen anillos, deberán estar compuestos por partículas rocosas.

Los cálculos demuestran que el tamaño del radio de Roche de muchos exoplanetas descubiertos por el método del tránsito permite la existencia de anillos. Este radio es la distancia máxima a partir de la cual un satélite no puede mantener su forma y resulta destruido por las fuerzas de marea del planeta. Los anillos planetarios están situados por lo tanto dentro del radio de Roche. El radio depende del tamaño del planeta y de su densidad, así como de la densidad de las partículas de los anillos. Para los saturnos calientes, la composición de los anillos será, como hemos visto, principalmente rocosa. Además hay que tener en cuenta cuál es el punto de fusión y/o sublimación de los minerales rocosos, ya que estos planetas están tan cerca de sus estrellas que incluso la roca puede sublimarse. Teniendo todo esto en cuenta, aproximadamente 35 exoplanetas conocidos podrían tener a su alrededor anillos de partículas rocosas.


Radio de Roche de varios exoplanetas conocidos en función de su distancia orbital calculado para dos densidades distintas: 3 g/cm3 (círculos azules) y 5 g/cm3 (círculos rojos) (Schlichting et al.).

No obstante, el principal enemigo de un sistema anillado alrededor de un saturno caliente no son las fuerzas de marea, sino la potente luz de la cercana estrella. Toda radiación luminosa ejerce una presión sobre las partículas de pequeño tamaño, ocasionando que se desplacen en su órbita. Esta presión de radiación es la causante de que las partículas de polvo interplanetarias caigan lentamente hacia el Sol siguiendo trayectorias espirales, un fenómeno conocido como efecto Poynting-Robertson.


Tamaño mínimo de las partículas de un anillo en función de la distancia planetaria para un tiempo de vida de cien milones de años (Schlichting et al.).

Aparentemente, las partículas de los anillos de un saturno caliente deberían resultar destruidas por este efecto en poco tiempo. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que los anillos podrían sobrevivir durante más de cien millones de años siempre y cuando el tamaño medio de las partículas fuese superior a un metro. Si los anillos son especialmente gruesos y bloquean la luz estelar de forma más o menos efectiva, partículas mucho más pequeñas podrían permanecer en su interior durante un periodo comprendido entre un millón y mil millones de años.


Tiempo de vida medio de un sistema anillado en función de la distancia a la estrella (Schlichting et al.).

En cualquier caso, lo realmente sorprendente es que estos anillos podrían ser observados por el telescopio espacial Kepler, dedicado a detectar exoplanetas mediante el método del tránsito. Para aumentar la probabilidad de detección de los anillos, los planetas deberían estar situados a más de 15 millones de km (0,1 UA) de su estrella. Eso sí, esta probabilidad depende de la inclinación del plano de los anillos con respecto a la línea de visión. Obviamente, cuanto más inclinados estén los anillos, más fáciles de ver serán. El problema es que los saturnos calientes orbitan tan cerca de su estrella que las fuerzas de marea se habrán encargado de eliminar cualquier inclinación significativa del eje de rotación de estos planetas. Por este motivo, es muy posible que la mayoría de los anillos de los saturnos calientes sean invisibles. Pero en el caso de que podamos detectarlos, las consecuencias serían muy interesantes. Más allá de la simple curiosidad, el caso es que estos anillos podrían presentar distorsiones por culpa de la acción conjunta de las fuerzas de marea planetarias y estelares. Si somos capaces de medir esta distorsión, podríamos determinar varios parámetros del interior de los exoplanetas. Dicho de otro modo, los anillos servirían como sondas avanzadas para estudiar el interior de mundos situados a decenas de años luz. Sorprendente.

Y no tendremos que esperar mucho para saber si estos tesoros de la naturaleza existen realmente. En los próximos años sabremos si entre los muchos descubrimientos que el telescopio Kepler está a punto de realizar se encuentran los anillos exoplanetarios.

Más información:

• Warm Saturns: On the Nature of Rings around Extrasolar Planets that Reside Inside the Ice Line, Schlichting et al. (ArXiV, 19 de abril de 2011).

El exoplaneta más denso

55 Cancri (55 Cnc para los amigos) es una estrella doble de tipo solar relativamente brillante situada a 41 años luz de la Tierra en la constelación de Cáncer. Nada extraordinario sino fuera porque a su alrededor se han descubierto desde 2004 nada más y nada menos que cinco exoplanetas, lo que la convierten en uno de los sistemas multiplanetarios más interesantes que conocemos.


Sistema 55 Cancri comparado con el Sistema Solar. 55 Cnc e es el planeta más interior y no se aprecia en esta imagen (Wikipedia).

El planeta más interno del sistema se conoce como 55 Cnc e (las letras de los exoplanetas designan el orden de descubrimiento, no su cercanía a la estrella) y en un principio se pensaba que su masa era 14,2 veces la terrestre. Sin embargo, observaciones realizadas en 2010 por el método de la velocidad radial permitieron refinar este dato y rebajar la estimación de la masa hasta 8,3 masas terrestres, con un periodo orbital de sólo 0,74 días. Este periodo tan corto implicaba que las probabilidades de detectar un tránsito del planeta eran del 13%-33%. O lo que es lo mismo, de repente parecía muy probable observar a 55 Cnc e pasar por delante de su estrella, lo que es esencial para determinar el tamaño del planeta y, por lo tanto, su densidad.


Recreación artística de 55 Cnc e (Winn et al.).

Y eso es precisamente lo que han hecho los investigadores del instrumento MOST (Microvariability and OScillations of STars), un pequeño satélite canadiense equipado con un telescopio de 15 cm de diámetro que fue lanzado al espacio en 2003. Después de observar repetidos tránsitos de 55 Cnc e, los astrónomos han podido determinar el tamaño del exoplaneta y su masa con un error de sólo el 10%. Ahora sabemos que 55 Cnc es una supertierra de 8,57 ± 0,64 masas terrestres y un radio 1,63 ± 0,16 veces el de nuestro planeta, por lo que su densidad es de 10,9 ± 3,1 g/cm3.


Curva del tránsito de 55 Cnc e vista por MOST (Winn et al.).


55 Cnc es la estrella con un exoplaneta que transita más brillante (Winn et al.).

Estos datos convierten a 55 Cnc e en el exoplaneta más denso conocido, superando a las supertierras Kepler-10b y CoRoT-7b. Esta elevada densidad implica que 55 Cnc e debe estar compuesto por hierro en un elevado porcentaje. De hecho, la fracción de hierro en su interior se acerca al límite teórico que predicen los modelos de interiores planetarios. Teniendo en cuenta que Kepler-10b y CoRoT-7b tambié orbitan muy cerca de sus estrellas, surge la interesante posibilidad de que estos planetas hayan adquirido una densidad tan extrema por culpa de la elevada insolación que reciben en su órbita. Además, 55 Cnc se ha convertido de rebote en la estrella más brillante conocida con exoplanetas que transitan (esto es, pasan por delante del disco estelar) y la única de este tipo visible a simple vista.


El tamaño de varios exoplanetas (y planetas del Sistema Solar) en función de su masa. 55 Cnc e es toda una rareza (Winn et al.).


El tamaño de varios exoplanetas en función de su masa para los exoplanetas más densos. Las barras de error de 55 Cnc e son muy pequeñas (Winn et al.).

Para terminar, se hace necesario una vez más comentar el papel de algunos medios de comunicación en la difusión de esta noticia. Por ejemplo, se ha comentado que 55 Cnc -de magnitud 6- es la estrella con exoplanetas más brillante conocida, lo cual es falso. Este disputado honor le correspondería provisionalmente a Pólux, una famosa estrella de la constelación de Géminis de magnitud 1,15 y que cuenta con un planeta a su alrededor. Como hemos visto, 55 Cnc es la estrella con exoplanetas que transitan más brillante, que no es lo mismo. Por otro lado, en otros medios se ha presentado la noticia como si acabásemos de descubrir a 55 Cnc e, cuando en realidad fue detectado por primera vez en 2004.

En todo caso, 55 Cnc e se perfila, junto con CoRoT-7b y Kepler-10b, como el representante de un nuevo tipo de supertierras ultradensas con posibles océanos de lava en su superficie.

Más información:

• A Super-Earth Transiting a Naked-Eye Star, J. N. Winn et al. (ArXiV, 27 abril 2011).

Exoplanetas con plantas negras

En los últimos días hemos sido testigos de cómo una noticia sobre el color de las hipotéticas plantas alienígenas se ha hecho tremendamente popular en la red. Según un estudio de Jack O'Malley-James, la flora de los exoplanetas situados en órbita de sistemas dobles o múltiples podría tener un color negro.

En realidad, y pese a la popularidad de la noticia, nada de esto es especialmente nuevo. El color que pueden adoptar los organismos fotosintéticos en otros mundos es objeto de estudio desde hace décadas. De hecho, no hace mucho varios investigadores de la NASA publicaron en 2007 un detallado análisis de los posibles colores que podría tener una planta en función del tipo espectral de su estrella.


Plantas negras en otros planetas (Royal Astronomical Society).

El tema es mucho más complejo de lo que pudiera parecer a primera vista, ya que hay un gran número de factores en juego. Además de las imprevisibles características de la vida alienígena, la distancia a la estrella y la composición de la atmósfera son elementos claves para determinar el color de una exoplanta. La radiación del Sol se aproxima a la que emite un cuerpo negro a 6000 K con un máximo de emisión en el verde-amarillo, pero la absorción de ciertas longitudes de onda por parte de la atmósfera planetaria crea una serie de "ventanas" muy importantes para determinar cuál es el mejor pigmento para la fotosíntesis. Por otro lado, las estrellas de tipo F, más calientes que el Sol, tienen su pico de emisión en el violeta y ultravioleta, mientras que las enanas rojas (tipo M) emiten principalmente en rojo o infrarrojo.


Espectro de la luz solar que llegaría a la superficie de un planeta como la Tierra situado alrededor de distintas estrellas (tipo F, G, K y M) (NASA).

Lo más probable -desde el punto de la eficiencia energética- es que las plantas situadas en mundos alrededor de estrellas de tipo F o K tuviesen un color muy similar a las terrestres, es decir, verdes, amarillas o naranjas (no nos olvidemos de las algas). Por contra, la flora de exoplanetas en enanas rojas podría ser de color negro, púrpura o incluso gris, para de este modo aprovechar al máximo la escasa radiación incidente. Eso sí, las plantas en sistemas con estrellas más grandes que el Sol o con enanas rojas jóvenes deberían poseer mecanismos para bloquear la radiación ultravioleta (las enanas rojas no emiten en UV, pero sí generan grandes fulguraciones con una fuerte componente en esta longitud de onda).

La novedad es que el nuevo estudio de Jack O'Malley-James se centra en los sistemas estelares múltiples (con dos o más soles). En este caso, el color de las plantas podría sufrir variaciones más drásticas para adaptarse a las distintas longitudes de onda emitidas por los astros, pero en todo caso el principio básico es el mismo.

Es muy probable que entre los miles de mundos habitables que existen en nuestra galaxia existan varios mundos con plantas de color azabache en su superficie. ¿Podrán contemplar los ojos humanos algún día semejante paisaje?

Tipo Estelar	Color principal usado en la fotosíntesis	Colores de las Plantas
Más caliente que el Sol (tipo F)	azul	blanco (para prevenir saturación de los pigmentos) o verde-amarillo-naranja
Similar al Sol (tipo G)	rojo	verde-amarillo-naranja
Más fría que el Sol (tipo K)	rojo	verde-amarillo-naranja
Enana Roja (tipo M)	toda la luz visible,	negro
	infrarrojo,	gris-blanco
	o amarillo-rojo	púrpura, colores varios

El júpiter caliente más cercano a su estrella

Los llamados júpiteres calientes son un tipo de planeta muy común entre los más de quinientos mundos descubiertos fuera del Sistema Solar. Como su nombre indica, se trata de grandes gigantes gaseosos que orbitan su estrella a una distancia muy pequeña, tan pequeña que hasta hace quince años se pensaba que era imposible su existencia.


Representación artística de un júpiter caliente (fuente).

Ahora, un grupo de astrónomos ha descubierto el que hasta la fecha es el júpiter caliente situado a una menor distancia de su estrella. WASP-43b, como así se denomina este mundo, tiene una órbita que se aleja solamente 2,1 millones de kilómetros del centro de su sol, por lo que allí un "año" sólo dura 0,81 días (!!). WASP-43b tiene una masa 1,8 veces la de Júpiter, aunque su tamaño es prácticamente similar al de nuestro gigante joviano favorito. Orbita una estrella rojiza de tipo espectral K7 con 0,6 masas solares, lo que la convierten en la estrella de menor masa conocida que posee un júpiter caliente.

Aunque se trata del júpiter caliente situado a menor distancia de su estrella, no es el que posee el menor periodo, ya que ese mérito le corresponde a WASP-19b, con 0,79 días. Por otro lado, recordar que la exotierra GJ 1214b sigue ostentando el récord de ser el exoplaneta situado a una menor distancia de su astro. La mayoría de júpiteres calientes tienen un periodo de 3-4 días, así que estos mundos constituyen toda una rareza. Con el tiempo, WASP-43b terminará siendo engullido por su estrella madre, pero lo cierto es que todavía no se comprenden demasiado bien las interacciones de marea que provocan este decaimiento orbital.


Interesante  gráfica que relaciona la distancia orbital y la masa de los exoplanetas conocidos (Hellier et al.).


Más información:

• WASP-43b: The closest-orbiting hot Jupiter, Coel Hellier et al. (ArXiV, 14 abril 2011).

Planetas habitables gracias a la materia oscura

¿Qué tienen en común la materia oscura y los planetas? A primera vista, absolutamente nada. Pero, ¿y si te dijese que el destino último de la vida en el Universo puede depender de que exista una relación entre ambos? Parece imposible -y quizás lo sea-, pero recientemente dos investigadores, Dan Hooper y Jason Steffen, han sugerido que la materia oscura podría permitir la existencia de agua líquida en algunos planetas aún en ausencia de luz estelar de cualquier tipo. Como lo oyes.


Amanecer galáctico sobre el océano de un mundo lejos de cualquier estrella. ¿Podría ser posible algo así? (escena de Cosmos, de Carl Sagan). 

La materia oscura es una misteriosa substancia que forma el 23% del Universo. Sabemos que está ahí gracias a sus efectos gravitatorios. Sabemos que existe, pero desconocemos de qué está compuesta. No obstante, la mayoría de modelos teóricos predicen que debe estar formada por partículas que interaccionan débilmente entre sí (WIMPs). Según estos mismos modelos, la materia convencional de la que estamos hechos nosotros y todo lo que nos rodea -también llamada materia bariónica- es prácticamente transparente para la materia oscura. Pero de vez en cuando, alguna partícula oscura puede chocar con un núcleo de materia bariónica y frenarse en el proceso. ¿Y qué tiene de interesante este proceso? Pues que con el tiempo -muuucho tiempo-, podremos encontrar una mayor densidad de partículas de materia oscura en el interior de los astros más masivos, tanto estrellas como planetas.

Y aquí viene lo interesante. Según la mayoría de modelos, las partículas de materia oscura serían sus propias antipartículas. Es decir, se aniquilarían al colisionar entre sí, liberando energía. El potencial de la energía producida mediante la aniquilación de la materia oscura es enorme. Para que nos hagamos una idea, la energía contenida en la materia oscura se estima que es mil veces mayor que la energía que se liberaría por la fusión de todo el hidrógeno del Universo para formar helio. Y no olvidemos que el hidrógeno es el elemento más abundante de la naturaleza con diferencia.

Por supuesto, la cantidad de energía liberada la desintegración de materia oscura en el interior de un planeta es minúscula. La temperatura superficial de un planeta terrestre depende principalmente de la distancia a su estrella y su albedo (brillo superficial). Un planeta con una atmósfera densa puede elevar significativamente su temperatura por efecto invernadero, como es el caso de la Tierra o -especialmente- Venus. El calor interno del planeta, generado por la desintegración de isótopos radiactivos, sólo constituye el 0,025% de la energía que afecta a la temperatura de la superficie. Por lo tanto, con materia oscura o sin ella, el calor interno no parece ser un factor relevante.


Tasa de captura de partículas de materia oscura por un planeta terrestre en nuestro vecindario galáctico. Se muestran los resultados de dos modelos de materia oscura. A todas luces insuficiente para calentar el interior de un mundo rocoso (Hooper et al.).

O puede que sí. Al menos, en otras zonas del Universo. Se cree que la densidad de materia oscura en las regiones centrales de nuestra Galaxia o en el núcleo de las galaxias enanas esferoidales puede ser cientos o miles de veces la encontrada en nuestro vecindario cósmico. Dan Hooper y Jason Steffen (investigadores del Fermilab y de la Universidad de Chicago, respectivamente) han sugerido que, en este caso, el calor liberado por la aniquilación de materia oscura en el interior de planetas sí que sería significativo. En realidad, podría ser tan grande que garantizaría la existencia de agua líquida en la superficie de supertierras que se encontrasen muy lejos de sus soles. Océanos en mundos errantes alejados de cualquier estrella. Planetas habitables que deberían tener temperaturas cercanas al cero absoluto. Increíble.


Galaxia del Escultor, una galaxia enana esferoidal (David Malin/Anglo Australian Observatory).


Temperatura superficial en varios planetas situados en el centro galáctico (debajo) y galaxias enanas esferoidales (arriba) dependiendo del modelo de materia oscura. En algunos casos, el calor de la aniquilación permitiría la existencia de agua líquida en la superficie aún en ausencia de luz solar (Hooper et al.).

Por supuesto, este escenario es altamente hipotético e improbable, ya que los autores asumen una sección eficaz muy alta para las colisiones entre WIMPs y núcleos de materia bariónica. Además, estas temperaturas sólo serían posible en los planetas rocosos de mayor masa (unas diez veces la masa de la Tierra). Pero, en cualquier caso, es una posibilidad que resulta cuanto menos apasionante.

Porque a medida que las estrellas se vayan apagando en un Universo cada vez más viejo, puede que estos planetas se conviertan en el último reducto de la vida tal y como la conocemos.

Referencias:

• Dark Matter And The Habitability of Planets, Dan Hooper et al. (ArXiV, 25 de marzo de 2011)

Planetas en estrellas de tipo solar

¿Es nuestro Sistema Solar una rareza? Ahora que ya hemos descubierto más de quinientos exoplanetas sabemos que existen sistemas planetarios muy diferentes al nuestro. En la mayoría de los sistemas detectados existen gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de sus estrellas, algo que se consideraba imposible hace apenas quince años. Por supuesto, esto no quiere decir que los júpiteres y neptunos calientes -como se denominan estos planetas- sean la norma en la Galaxia, ya que la mayoría de métodos para detectar planetas extrasolares favorecen la detección de este tipo de mundos. En todo caso, ¿son estos planetas frecuentes en las estrellas de tipo solar?


Los júpiteres calientes son el tipo de exoplaneta más común (NASA).

Hasta ahora hemos sido incapaces de responder a esta pregunta, pero los datos preliminares del telescopio espacial Kepler nos han permitido empezar a arrojar luz sobre el asunto. Recordemos que Kepler observa continuamente unas 156 000 estrellas en busca de planetas mediante el método del tránsito. Consideramos estrellas similares al Sol aquellas de tipo espectral G-K con unas temperaturas superficiales de 6100-4100 K. En el campo de visión de Kepler existen unas 58000 estrellas de este tipo. De ellas, 375 estrellas poseen un total de 438 candidatos a planetas con periodos menores a 50 días. Por comparación, el periodo de Mercurio es de 88 días.


Estrellas observadas por Kepler (puntos negros) y aquellas con candidatos a planetas (puntos rojos). El cuadrado azul son las estrellas de tipo solar (Howard et al.).


Relación entre el periodo y el radio de los planetas observados por Kepler con un periodo menor de 50 días (Howard et al.).

¿Y cómo son estos mundos? Bueno, de las observaciones de Kepler sólo podemos conocer su tamaño y a partir de ahí deducir su densidad y masa total, pero las conclusiones preliminares son interesantes. Por ejemplo, se observa que los planetas más abundantes son los más pequeños. Esto puede parecer una obviedad, pero no lo es en absoluto, ya que los modelos de formación planetaria actuales predicen la formación de planetas muy pequeños (alrededor de una masa terrestre) o muy grandes (100 ó 300 veces la masa de la Tierra o una masa de Júpiter), pero muy pocos con un tamaño intermedio. Es el llamado "desierto de neptunos".


Frecuencia de planetas con un periodo inferior a 50 días en estrellas de tipo solar. Para planetas con un radio menor a dos veces al terrestre, el ruido de la señal aumenta el error de forma exponencial. Según los modelos de formación planetaria, los planetas de tamaño entre 2-10 radios terrestres no deberían ser tan frecuentes (Howard et al.).

Según estos modelos, la mayoría de planetas deben formarse cerca de la llamada "línea de hielo", la zona donde el hielo de agua puede permanecer estable sin sublimarse (en el Sistema Solar está línea está situada a unos 300 millones de kilómetros del Sol). Una vez que los protoplanetas alcanzan un tamaño de varias masas terrestres, o bien se mueven en espiral hasta acabar cerca de su estrella, o bien comienzan a acumular hidrógeno y helio de forma muy rápida hasta convertirse en gigantes gaseosos como Júpiter o Saturno. De acuerdo con la teoría, deberían existir muy pocos planetas con 1-20 masas terrestres a distancias menores de 1 UA (150 millones de kilómetros). Sin embargo, los resultados de Kepler y de otros estudios similares parecen contradecir claramente estos modelos.


Densidad de los planetas extrasolares en función de su radio. Los triángulos azules son los planetas del Sistema Solar, los puntos rojos son candidatos a planetas de Kepler, mientras que los negros son planetas descubiertos por otros estudios (Howard et al.).


Composición interna de los planetas extrasolares detectados hasta la fecha (Howard et al.).

Y no sólo el tamaño es un problema. Los modelos tampoco son capaces de explicar satisfactoriamente la elevada excentricidad que se observan en las órbitas de muchos exoplanetas. Tampoco logran aclarar bien la causa de que algunos planetas extrasolares tengan unos planos orbitales muy inclinados con respecto al ecuador de su estrella. Por lo tanto, está claro que para saber hasta que punto nuestro Sistema Solar es un caso único debemos mejorar nuestros modelos teóricos. Bien es cierto que debemos tener cuidado a la hora de extrapolar estos resultados, porque las estrellas de tipo solar en el campo de visión de Kepler poseen unas propiedades (metalicidad, etc.) ligeramente distintas a la media galáctica. Por otro lado, a medida que recibamos más datos de Kepler encontraremos planetas más pequeños situados a mayores distancias de su estrella.


Frecuencia de planetas en función del tamaño y el tipo estelar. Las estrellas más frías parecen tener un número mayor de planetas grandes (Howard et al.).

Pero lo apasionante del caso es que por primera vez somos capaces de estudiar en detalle cómo son otros sistemas planetarios alrededor de estrellas similares al Sol. Más que nunca, estamos muy cerca de saber si vivimos en lugar privilegiado del Universo o no.

Referencias:

• Planet Occurrence within 0.25 AU of Solar-type Stars from Kepler, Howard et al. (ArXiV, 13 marzo 2011).

Planetas habitables alrededor de enanas blancas.

Al finalizar su vida, las estrellas como el Sol dejan atrás un remanente estelar denominado enana blanca. En el proceso, es muy posible que los planetas de tipo terrestre que existan a su alrededor queden totalmente incinerados. Sin embargo, las enanas blancas constituyen un escenario muy interesante para el futuro de la vida en el universo. La etapa de fusión nuclear de las estrellas, en la cual estamos viviendo, ocupará una pequeña fracción de la vida del Universo (supuestamente infinita). Por contra, las enanas blancas seguirán brillando miles de millones de años después de que se haya apagado la última estrella. Es posible que el destino de los seres vivos dependa de la existencia de planetas alrededor de estos astros.


Una enana blanca comparada con la Tierra.

Como ya comentamos en una entrada anterior, hasta la fecha no se ha descubierto ningún exoplaneta alrededor de una enana blanca. Estos planetas serían muy probablemente mundos de segunda o tercera generación, es decir, formados a partir de los restos planetarios generados durante la fase de gigante roja. En cualquier caso, ¿podría existir vida en estos mundos? Precisamente esto es lo que ha explorado en un reciente artículo Eric Agol, de la Universidad de Washington.

Al ser astros tan pequeños (del tamaño de la Tierra), la zona habitable alrededor de una enana blanca estaría situada muy cerca de la misma, entre 0,75 y 3 millones de kilómetros para enanas frías (con una temperatura superficial de 5000 K) y con 0,4-0,9 veces la masa del Sol. Las enanas blancas son grandes trozos de materia degenerada sin una fuente de energía interna. Con el tiempo -muuucho tiempo- se enfriarán hasta dar lugar a una enana negra. No obstante, el universo no es aún lo suficientemente viejo para que se haya podido formar alguna enana negra. La zona habitable alrededor de una enana blanca se encogerá a medida que el astro se enfría, pero aún así estamos hablando de escalas de tiempo enormes. Por ejemplo, un planeta situado a un millón de kilómetros de una enana podría permanecer hasta ocho mil millones de años dentro de la zona habitable, un tiempo equivalente a la vida del Sol.


Zona habitable alrededor de una enana blanca en función de la distancia y la vida/luminosidad (Eric Agol).


Posible aspecto de las curvas de luz de los eclipses de planetas habitables alrededor de enanas blancas (Eric Agol).


Densidad de probabilidad de detección de planetas alrededor de enanas blancas. El método del tránsito favorece en este caso la detección de planetas del tamaño de la Tierra (Eric Agol).

Un planeta situado en la zona habitable de una enana blanca podría eclipsar por completo la estrella vista desde la Tierra. Este hecho convierte a estos astros en potenciales objetivos del método del tránsito para detectar exoplanetas, aunque no será nada sencillo. 

Resulta paradójico pensar en la posibilidad de la existencia de planetas habitables alrededor de cadáveres estelares. Pero es posible que, algún día, nuestros muy lejanos descendientes se refugien en estos mundos mientras el resto del universo se apaga a su alrededor.

Más información:

• Transit surveys for Earths in the habitable zones of white dwarfs, Eric Agol (ArXiV, 17 marzo 2011).

Planetas con océanos de lava

Imagina un mundo ligeramente más grande que la Tierra situado tan cerca de su estrella que la temperatura superficial supera los 2200º C y donde los vientos estelares han arrancado cualquier vestigio de cubierta gaseosa. Un planeta donde la roca se derrite formando océanos de lava bajo un cielo negro sin atmósfera. Pues bien, deja de imaginar, porque esos mundos existen.

 
Representación artística del "mundo de lava" CoRoT-7b (Léger et al.).

Hasta la fecha conocemos varios posibles candidatos a estos "mundos de lava": CoRoT-7b, HD 10180b, KOI-377.036 y Kepler-10b. CoRoT-7b es el mejor conocido, pues hace tiempo que se convirtió en el primer planeta inequívocamente rocoso descubierto fuera del Sistema Solar. Se trata de una supertierra con un radio de 10100 kilómetros (el radio de nuestro planeta es de 6378 km) y una masa de 6-8 veces la terrestre que se halla a 358 años luz. CoRoT-7b tiene una particularidad, y es que orbita a su estrella a tan sólo 2,57 millones de kilómetros, lo que levantó las sospechas de los investigadores desde que fue descubierto por el telescopio espacial francés CoRoT. Con esa masa y temperatura superficial, CoRoT-7b tenía todas las papeletas para ser un mundo-volcán, una especie de super-Ío.


Posible estructura interna de CoRoT-7b, donde se aprecia el océano de lava a la derecha (Léger et al.).


CoRoT-7b comparado con la Tierra y la Luna.

Sin embargo, investigaciones más recientes demuestran que CoRoT-7b no es solamente un planeta con una elevada actividad volcánica. La cercanía de su órbita provoca que muestre siempre el mismo hemisferio hacia su sol, de la misma manera que la Luna nos enseña siempre la misma cara. Este fenómeno, producto de las fuerzas de marea, recibe precisamente el nombre de acoplamiento de marea (tidal locking). Teniendo en cuenta que CoRoT-7 es una estrella parecida a nuestro Sol (tipo espectral G9, con una edad de unos 1500 millones de años), la temperatura en el hemisferio diurno debe alcanzar los 2100-2200º C (como comparación, la temperatura de la lava en los volcanes terrestres suele rondar los 1200º C). Por contra, el hemisferio nocturno "disfruta" de unas gélidas temperaturas, alcanzando los -225º C (50-75 K).

Con estas características en mente, un equipo de astrónomos dirigido por Alain Léger ha calculado las propiedades que debe presentar este "mundo-infierno". De entrada, parece claro que la constante acción del viento estelar ha barrido cualquier rastro significativo de una atmósfera estable en el planeta, aunque podrían existir cierta cantidad de gases procedentes de las erupciones volcánicas. En todo caso, la presión del vapor de roca no superaría 1 Pa en el lado diurno, siendo prácticamente nula en el nocturno. Estimando la composición más probable para este mundo (silicatos similares a la perovskita), los investigadores concluyen que debe existir un océano permanente de lava en el hemisferio diurno con una profundidad de hasta 45 kilómetros. Paradójicamente, también llegan a la conclusión de que no deben existir importantes reservas subterráneas de magma en la corteza, ni siquiera depósitos menores de lava líquida. La extensión del océano de lava también parece ser mayor de lo predicho por otros modelos anteriores, ocupando gran parte del hemisferio diurno. Por supuesto, el lado nocturno sería totalmente sólido, existiendo zonas cerca del terminador donde la temperatura permitiría un hipotético aterrizaje tripulado por parte de humanos en un -muy lejano- futuro.


Radios de planetas con diferente composición en función de su masa. CoRoT-7b debe estar compuesto principalmente por silicatos y bastantes metales (Léger et al.).


Perfil de temperaturas (área gris) y densidades (línea negra) del interior de CoRoT-7b. Las incertidumbres en la temperatura son mayores porque depende de muchos factores (composición, convección, etc.) (Léger et al.).


Perfil de temperaturas de CoRoT-7b con respecto al punto subsolar (0º). Podemos ver cómo a medida que nos alejamos del centro del hemisferio diurno la temperatura disminuye muy rápidamente, alcanzando los 50-75 K en el hemisferio nocturno (Léger et al.).

Por otro lado, conviene señalar que aún desconocemos el origen de CoRoT-7b. Parece improbable que se haya formado tan cerca de su estrella, aunque algunos modelos permiten este escenario. También se ha sugerido que podría ser el núcleo de un neptuno caliente que migró hacia el interior del sistema, perdiendo la atmósfera en el proceso. Posible, sí, pero no está nada claro que haya ocurrido de esta forma. Lo que sí parece estar claro es el destino de este mundo, ya que terminará engullido por su estrella. Las estimaciones no permiten concretar cuándo, pero sabemos que ocurrirá en algún momento de los próximos 0,2-2 mil millones de años.


Comparación de las propiedades de CoRoT-7b y Kepler-10b, dos mundos de lava (Léger et al.).

CoRoT-7b y Kepler-10b podrían ser los primeros representantes de una nueva familia de planetas formada por mundos de lava donde los extremos térmicos superan todo lo imaginable. Hasta ahora, estos lugares existían solamente en las novelas de ciencia ficción. Hoy sabemos que son reales.

Referencias:

• The extreme physical properties of the CoRoT-7b super-Earth, Léger et al. (ArXiV, 8 febrero de 2011).

Las otras tierras del Universo

La semana pasada pudimos conocer los resultados preliminares del telescopio espacial Kepler y todavía nos estamos recuperando de la noticia. Ahora sabemos que existen nada más y nada menos que 1235 candidatos a exoplanetas orbitando unas 997 estrellas situadas en el campo de visión del satélite. Entre esa pléyade de posibles planetas, destacan 54 mundos potencialmente habitables, cinco de los cuales podrían tener un tamaño inferior a dos radios terrestres. O lo que es lo mismo, por primera vez sabemos que existen mundos similares a la Tierra.


¿Cómo serán esos mundos habitables? (Dan Durda).

Pocas veces aquellos que viven un suceso histórico son conscientes de su importancia. Los humanos somos así, necesitamos tiempo para valorar las cosas en su justa medida. No en vano, los contemporáneos de Colón pensaban que éste se había limitado a viajar hasta Asia usando una ruta un tanto peculiar. Y todos los que fueron testigos de las misiones Apolo creían que estaban ante un hecho  predecible. Espectacular, sí, pero predecible y rutinario. Porque, al fin y al cabo, se suponía que ése era el destino inexorable de nuestra civilización. Pero la historia decidió seguir por otros derroteros y dejó la colonización de la Luna a un lado. Sólo ahora somos capaces de reconocer la singularidad y trascendencia de esos eventos, así como la inmensa suerte que tuvieron sus protagonistas por poder participar en ellos.

Dentro de varios siglos, cuando nuestros descendientes echen la vista atrás recordarán que en nuestra época sucedió algo extraordinario. Por primera vez, la humanidad descubrió mundos similares al nuestro y supimos que la Tierra no estaba sola en el Universo. Y, justo ahora, estamos viviendo casi sin darnos cuenta ese momento trascendental de la historia.

Ya conocemos más de quinientos planetas extrasolares, pero no nos engañemos, la inmensa mayoría son planetas gigantes hostiles para la vida tal y como la conocemos. No es que esas enormes bolas de gas y hielo no sean interesantes, al contrario, son fascinantes. Pero lo que de verdad estimula nuestra imaginación es la posibilidad de descubrir mundos similares a la Tierra. Pues bien, quizás ya hemos descubierto cinco de esos mundos.


Partes de Kepler (NASA).


Los misión de Kepler

Recapitulemos. Kepler es un observatorio espacial situado en órbita solar que tiene por objetivo descubrir planetas por el método del tránsito. Este método es muy sencillo en teoría: cuando un planeta pasa por delante de su estrella, su brillo disminuye ligeramente, delatando su existencia. Desgraciadamente, resulta muy difícil llevar esta técnica a la práctica, ya que un planeta del tamaño de Urano o Neptuno sólo logra disminuir en un 0,1% el brillo de una estrella de tipo solar, mientras que un mundo como la Tierra apenas provoca un descenso del 0,01%. Además de la disminución del brillo, el tránsito durará más cuanto más lejos esté situado el planeta. Si viésemos nuestro Sistema Solar desde fuera de tal forma que los planetas desfilasen exactamente por el centro del disco solar, el tiempo de tránsito de Venus sería de 11 horas y el de la Tierra de 13 horas.


Fórmula para calcular la duración del tránsito de un exoplaneta. d* el diámetro de la estrella expresado en diámetros solares, a es el semieje de la órbita del planeta en UA y M* la masa de la estrella en masas solares. Para una estrella similar al Sol, el tiempo -en horas- es aproximadamente 13 veces la raíz cuadrada de su semieje orbital.

Gracias a la ventaja de estar situado en el espacio, libre de las interferencias atmosféricas y la rotación terrestre, Kepler mide continuamente el brillo de un total de 156453 estrellas, aunque en realidad sólo observa aquellos astros cuya magnitud estelar está comprendida entre 9 y 16. Recordemos que Kepler no puede "ver" los exoplanetas directamente, pero sí es capaz calcular su órbita y su tamaño. Si el planeta es lo suficientemente interesante, los observatorios terrestres pueden confirmar el descubrimiento usando el método de la velocidad radial, lo que permite además determinar su masa y, por tanto, su densidad media. Kepler realiza una medición del brillo de las estrellas una vez cada media hora, tiempo suficiente para construir una curva de luz que delate la presencia de un planeta. La única excepción está formada por un subgrupo de 512 estrellas cuyo brillo se registra una vez por minuto para estudios de astrosismología.



El campo de visión de los 42 detectores CCDs del Kepler y la órbita del satélite alrededor del Sol (NASA).



Los candidatos de Kepler 

Los resultados publicados la semana pasada se basan en los datos obtenidos entre el 2 de mayo y el 16 de septiembre de 2009, los cuatro primeros meses de observaciones del satélite. Se trata de resultados preliminares, por lo que los candidatos a planetas no son más que eso, candidatos, o mejor dicho, KOIs (Kepler Object of Interest), en la jerga de la misión. Es posible que muchos de estos supuestos exoplanetas sean en realidad pequeñas estrellas, enanas marrones o falsas señales. Distinguir la curva de luz de un eclipse causado por una estrella en un sistema binario de la provocada por un planeta es harto complejo y por eso Kepler necesita ayuda de los observatorios terrestres para validar los candidatos. Además, cuantos más tránsitos se produzcan, más fácil será distinguir los falsos positivos de los planetas reales. Por este motivo, se requieren tres tránsitos para asegurar estadísticamente la existencia de un planeta detectado por Kepler. Esto explica que la misión deba esperar un mínimo de tres años para confirmar la existencia de exotierras, es decir, mundos gemelos de la Tierra. O lo que es lo mismo, un planeta de tamaño terrestre que orbita una estrella similar al Sol a una distancia de 150 millones de kilómetros -una Unidad Astronómica (UA)-.


La situación de los candidatos en la zona de visión de Kepler (NASA).


Lista de candidatos en función de su tamaño (Borucki et al). 


Los 1200 candidatos a planetas de Kepler ordenados según su periodo orbital y semieje mayor (fila superior), su temperatura en equilibrio (esquina inferior derecha) y la temperatura de la estrella (esquina inferior izquierda) (Borucki et al.).

 
Histograma agrupando los distintos tamaños de los candidatos con respecto su distancia a la estrella. Predominan los más cercanos, pero no demasiado, ya que se cree que existen mecanismos de aniquilación planetaria que destruyen los mundos que orbitan muy próximos a sus estrellas (Borucki et al).


Distribución de los candidatos en función de la temperatura de la estrella (Borucki et al).


Candidatos de Kepler (arriba) comparados con los exoplanetas conocidos actualmente. Se observa un mayor número de neptunos calientes (Borucki et al.)

Sin embargo, no es necesario esperar tanto para descubrir mundos habitables alrededor de estrellas más pequeñas que el Sol (tipos espectrales K y M), ya que el periodo de traslación de un planeta en la zona habitable de estas estrellas es menor a un año terrestre. Así, mientras llegan las ansiadas exotierras, Kepler ha descubierto varios mundos potencialmente habitables. 54, para ser exactos. Pese a que la mayoría son del tamaño de Urano o Neptuno -y, por lo tanto, no aptos para la vida-, a su alrededor podrían orbitar lunas habitables.


Pandora, la luna habitable de la película Avatar, podría ser una realidad (20th Century Fox).


Efectivamente, la mayor parte de candidatos (662) son planetas del tamaño de Neptuno, pero 288 son supertierras y 68 son tienen un tamaño similar al de nuestro planeta. Estos posibles planetas orbitan estrellas de tipo solar o parecido (tipos espectrales F, G y K) y sólo una minoría giran alrededor de estrellas enanas rojas (tipo M, las más abundantes del Universo). Esto no es ninguna anomalía, ya que debemos recordar que Kepler ha sido diseñado específicamente para buscar exotierras, es decir, planetas que orbiten estrellas similares al Sol.


Temperatura superficial estimada para los 54 planetas habitables (Borucki et al.).

De entre los 54 mundos potencialmente habitables, aproximadamente cinco tienen tamaños parecidos al de la Tierra. Veamos cuáles son en la siguiente tabla:



Antes de apresurarnos a sacar conclusiones, debemos recordar una vez más que estos mundos son meros candidatos, nada más. Además, la incertidumbre en su tamaño es de un 25-35%, mientras que el cálculo de la temperatura equivalente podría variar hasta en un 22% a medida que conozcamos más datos sobre su estrella. Por otro lado, la temperatura de la superficie se ha calculado suponiendo un albedo normal y la ausencia de atmósfera. Esto último es muy importante, porque la presencia de una atmósfera ayudaría a elevar la temperatura media del planeta. Por ejemplo, la Tierra disfruta de unos 33 K adicionales gracias a la capacidad de nuestra atmósfera para absorber calor. Con estas precauciones en mente, un rápido análisis permite comprobar que el candidato llamado KOI 701.03 es el más interesante. Su temperatura media superficial es de sólo -11º C, así que probablemente será mayor si posee atmósfera. El año de esta supertierra tiene una duración de 122,4 días y orbita una estrella más pequeña que el Sol. KOI 701.03 comparte sistema con otros dos planetas que giran a poca distancia, por lo que es posible que las perturbaciones gravitatorias resultantes generen trayectorias orbitales muy peculiares.

KOI 701.03 y Gliese 581 g son de los pocos planetas potencialmente habitables que conocemos. Y ahora que la existencia de Gliese 581 g está más en duda que nunca, es muy posible que los candidatos de Kepler sean los únicos. Desgraciadamente, no sabemos si KOI 701.03 y sus hermanos existen realmente, pero dentro de unos pocos años saldremos de dudas.

Estos son los primeros candidatos a mundos habitables descubiertos por Kepler, pero no serán los últimos. A medida que se acumulen los datos, surgirán más exoplanetas similares a la Tierra. Y entre alguno de ellos encontraremos por fin el primer gemelo de nuestro planeta azul.

Llegará un día en el que conoceremos decenas de mundos similares al nuestro y hasta es posible que nos planteemos seriamente la posibilidad de viajar hasta ellos. Quién sabe. Pero de lo que sí podemos estar seguros es que vivimos en una época maravillosa. El día en el que confirmaremos por primera vez la existencia de un planeta similar a la Tierra está cada vez más cerca.


Miriada de mundos terrestres (NASA).

Referencias:

• Characteristics of planetary candidates observed by Kepler, II: Analysis of the first four months of data, Borucki et al. (ArXiV, 2 de febrero de 2011).
• Architecture and Dynamics of Kepler's Candidate Multiple Transiting Planet Systems, Lissauer et al. (ArXiV, 2 de febrero de 2011).
• Transit Timing Observations from Kepler: I. Statistical Analysis of the First Four Months, Ford et al. (ArXiV, 2 de febrero de 2011).
• Kepler Data Search.

Vídeo con los candidatos a planeta de Kepler: