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).

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:

Los tesoros de Kepler

A partir de hoy, sabemos que la Tierra no es un planeta único en el Universo. Hasta ayer lo sospechábamos, pero hoy podemos estar casi seguros. Porque el equipo de investigadores del telescopio espacial Kepler ha publicado los últimos datos de su búsqueda de planetas extrasolares y los resultados preliminares son espectaculares. Kepler ha detectado nada más y nada menos que 1235 candidatos a exoplanetas, lo que resulta impresionante si tenemos en cuenta que en la actualidad conocemos "sólo" 525 planetas extrasolares. Por supuesto, estamos hablando de candidatos, no de planetas confirmados, pero en cualquier caso este resultado promete revolucionar en los próximos años todo lo que conocemos sobre la formación de planetas en nuestra Galaxia y, por tanto, lo que creemos saber sobre el origen de la vida.


Kepler-11, un sistema solar con seis planetas situado a 2000 años luz (NASA).


¡1235 candidatos a exoplanetas con periodos menores a 100 días! (NASA).


Candidatos (izquierda) y la temperatura (tipo espectral) de las estrellas (derecha) (NASA).


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

Sin embargo, lo realmente impactante es que, de esos 1235 candidatos con periodos orbitales inferiores a 100 días, 68 podrían ser planetas de tipo terrestre -¡algunos con una masa similar a la de Marte!- y 54 estarían en la zona habitable de su estrella. Reflexionemos un momento sobre el significado de esta última frase: dicho de otra forma, Kepler ha detectado cinco posibles mundos terrestres habitables. Nada más y nada menos. Por supuesto, es más que posible que muchos de estos candidatos -no sabemos cuántos- resulten ser estrellas binarias o simple "ruido" en los datos, pero lo cierto es que están ahí. Un momento histórico en la historia de la astronomía. Qué digo de la astronomía, ¡de la humanidad!

La mayoría de estos candidatos orbitan estrellas más pequeñas y frías que el Sol, ya que resulta más fácil descubrir planetas mediante el método del tránsito en este tipo de astros. Por otro lado, no olvidemos que Kepler necesita al menos dos años para saber si existen planetas habitables alrededor de estrellas de tipo solar, así que esto no es más que un aperitivo. Sin duda, los próximos años van a ser apasionantes.

Además de planetas terrestres, Kepler ha descubierto 288 posibles supertierras, 662 exoneptunos, 165 exojúpiteres y 19 superjúpiteres. Todos estos resultados han salido a la luz después de analizar los datos correspondientes a las observaciones de 156000 estrellas realizadas durante unos 140 días, entre el 12 mayo y el 17 de septiembre de 2009. De entrada, resulta llamativo que los datos parezcan desmentir la existencia del temido "desierto planetario" correspondiente a planetas de masa intermedia -exoneptunos- predicho por algunos modelos teóricos. Igualmente, también se desprende que los planetas menos masivos son más abundantes, algo disputado por ciertas hipótesis.

Kepler-11

Pero no todo son candidatos. El equipo de Kepler ha descubierto un sistema exoplanetario con seis mundos, todo un récord para el método del tránsito. No obstante, debemos recordar que ya conocemos un sistema con seis planetas, HD10180, aunque en este caso los exoplanetas fueron descubiertos por el método de la velocidad radial.

Kepler-11, como se conoce al sistema, es una estrella similar al Sol (tipo espectral G) situada a dos mil años luz de la Tierra. Lo curioso es que los seis exoplanetas de Kepler-11 son todos más grandes que la Tierra y están situados a una distancia inferior a la órbita de Venus en nuestro Sistema Solar. Aunque ninguno de ellos está localizado en la zona habitable, resulta tentador imaginar cómo serían los viajes interplanetarios en este "sistema en miniatura". Con los planetas de Kepler-11, ya son quince los mundos descubiertos por este telescopio espacial.


Kepler-11 comparado con nuestro Sistema Solar (NASA).


Comparativa entre los planetas de Kepler-11 y el Sistema Solar (fuente).


Los planetas detectados por Kepler (NASA).

Con estos resultados, Kepler nos ha permitido vislumbrar brevemente el futuro próximo. Un futuro en el que conoceremos miles de exoplanetas y en el que hablar de mundos similares a la Tierra se considere algo rutinario.

A partir de hoy, sabemos que ahí fuera existen cinco posibles mundos similares a la Tierra. Podemos decir sin temor a equivocarnos que el Universo en el que vivimos es un poco más interesante que ayer...y promete serlo aún más.



El campo de visión de los 42 detectores CCDs del Kepler (NASA).


Partes de Kepler (NASA).

¡Dios mío, está lleno de Tierras!

Bombazo. La noticia astronómica de ayer fue de esas que cortan la respiración: hasta una cuarta parte de las estrellas de tipo solar tienen planetas semejantes a la Tierra. Algo fantástico, sin duda, pero recapitulemos un poco antes de exaltarnos demasiado. Al fin y al cabo, podemos pensar que se trata de una exageración, ¿cómo se atreve alguien a afirmar una cosa así con tanta contundencia?

La noticia se basa en el artículo de un equipo de investigadores dirigido por Andrew Howard y Geoffrey Marcy que ha sido publicado hoy en la revista Science  (The Occurrence and Mass Distribution of Close-in Super-Earths, Neptunes, and Jupiters). Siempre que se habla de este tema, se produce una confusión en los medios entre planetas extrasolares con masa similar a la Tierra y exotierras propiamente dichas. Son dos conceptos muy dispares tan diferentes entre sí como Venus y la Tierra. Una exotierra es un planeta con la masa de la Tierra que además está situado en la zona habitable de su estrella. ¿Prueba este estudio que el 25% de estrellas similares al Sol tienen exotierras a su alrededor? La respuesta, desgraciadamente, es negativa.

Veamos los detalles: los autores han estudiado la presencia de planetas en una muestra de 166 estrellas de tipo solar (tipos G y K, con 0,54-1,28 masas solares) mediante el método de la velocidad radial y han llegado a la conclusión de que el 23% debería tener planetas de 0,5-2 masas terrestres orbitando a menos de 40 millones de kilómetros de distancia (un periodo orbital de menos de 50 días). Pero debemos resaltar dos puntos. Primero, hay que tener en cuenta que el resultado es en realidad una extrapolación: los investigadores no han detectado ningún planeta de masa terrestre (eso queda fuera del alcance de los telescopios situados en la Tierra, por ahora). Segundo, como podemos ver, no estamos hablando de exotierras, sino de planetas con una masa semejante a la terrestre, que no son la misma cosa. De hecho, la extrapolación habla más bien de "tierras calientes" (término que debería usarse más a menudo): mundos de masa terrestre situados tan cerca de sus estrellas que su superficie debe ser completamente estéril.


Los resultados del estudio de Howard et al. demuestran una posible mayor abundancia de planetas de masa terrestre cerca de las estrellas de tipo solar (NASA).


La misma gráfica pero sin tantos artificios, tal y como aparece en el artículo (Science).

Los investigadores tomaron 20 medidas de la velocidad radial de cada una de las estrellas mediante el espectrómetro HIRES del telescopio Keck (Hawái) en un periodo de cinco años. Lo interesante del caso es que el estudio revela que los planetas menos masivos son los más abundantes, así que podemos suponer que los planetas de masa terrestre son más frecuentes que las supertierras o los neptunos calientes alrededor de estrellas de tipo solar. No se trata en absoluto de un resultado obvio, pues contradice muchos modelos de formación y migración planetaria. Resumiendo, el artículo es fascinante (por eso sale publicado en Science), pero no olvidemos que estamos hablando de abundancias planetarias a menos de 40 millones de kilómetros de distancia de la estrella. Lamentablemente, nada indica que el número de exotierras deba seguir la misma proporción.

En cualquier caso, no deja de ser irónico que, justo cuando empiezan a surgir evidencias sobre la gran abundancia de planetas de masa terrestre, la NASA haya decidido dar carpetazo a las misiones para detectarlos, como TPF o SIM Lite. Una verdadera tragedia.

Cambiando totalmente de tercio, pero sin abandonar las estrellas, también me gustaría matizar la siguiente noticia que ha circulado por la red estos días: Kepler permite ver en primicia terremotos estelares. Interesante, ¿no? Eso parece, pero lástima que sea mentira. El telescopio espacial Kepler tiene como objetivo principal detectar exoplanetas por el método del tránsito, para lo cual es capaz de medir con gran precisión el brillo de muchas estrellas. Esto permite no sólo detectar planetas, sino también medir la variabilidad de multitud de astros y poder estudiar su estructura gracias a la astrosismología.

Pero Kepler no es en absoluto el primer instrumento que mide las oscilaciones de las estrellas (los "terremotos estelares") y ni siquiera es el primer telescopio espacial dedicado a tal fin, ya que ese honor recae en el satélite francés CoRoT. ¿Qué ha ocurrido entonces con esta noticia? Pues como suele suceder, los medios españoles -no todos, que conste- han exagerado las de por sí exageradas noticias de la prensa anglosajona, que a su vez se basaban en la nota de prensa de la NASA. Y eso que por una vez, y sin que sirva de precedente, hay que reconocer que la noticia original de la agencia espacial era muy comedida (NASA's Kepler Spacecraft Takes the Pulse of Distant Stars, mejor explicada aquí). Los datos de Kepler son todo un filón para la astrosismología y la astrofísica estelar, pero no debemos desmerecer el trabajo de muchos otros grupos de investigadores a lo largo y ancho del globo.

Más información:

•  The Occurrence and Mass Distribution of Close-in Super-Earths, Neptunes, and Jupiters, Howard et al. (Science, 29 octubre 2010).
  

Los 750 planetas de Kepler

El equipo del telescopio espacial Kepler, lanzado el 7 de marzo de 2009, puso ayer a disposición del público los datos de los primeros 43 días de observación. Kepler busca planetas extrasolares mediante el método del tránsito observando continuamente un campo de 223000 estrellas con una magnitud inferior a 14.


El método del tránsito.

Y según los resultados, en menos de mes y medio, Kepler ha descubierto unos 750 candidatos a exoplanetas entre 156000 estrellas de su campo de visión, aunque sólo se han publicado los datos de unos 350. Entre ellos, cinco casos podrían ser sistemas multiplanetarios. Según la legislación vigente, la NASA está obligada a hacer públicos estos datos pasado un tiempo, lo que supone una magnífica oportunidad para astrónomos profesionales y aficionados de todo el mundo para confirmar la existencia de exoplanetas. De todas formas, hay que tener en cuenta que la mayoría de los candidatos resultarán ser sistemas estelares binarios muy próximos, estrellas variables, manchas estelares u otros fenómenos.

Por otro lado, recordemos que estos 750 candidatos corresponden solamente a los primeros 43 días de la misión, así que a estas alturas deben haber muchos más. Por ahora, sabemos que el equipo de Kepler ha encargado el estudio de unos 400 candidatos -se supone muy prometedores- mediante observatorios terrestres, Canarias incluida, o telescopios espaciales como el Hubble o el Spitzer. Los datos de estos 400 candidatos no se han hecho públicos. En febrero de 2011 sabremos los resultados de estas observaciones y cuáles de estos 400 candidatos resultan ser planetas.

Debido a las características del método empleado por Kepler, se requieren tres tránsitos para confirmar la existencia de un exoplaneta, por lo que deberán pasar tres años para asegurar la presencia de una exotierra. Sin embargo, no hace falta tanto tiempo para detectar júpiteres calientes o planetas alrededor de estrellas más pequeñas. De hecho, los análisis preliminares de los nuevos datos sugieren que la mayoría de candidatos serían neptunos calientes.

Teniendo en cuenta que actualmente conocemos unos 450 exoplanetas, Kepler promete multiplicar esa cifra en pocos años.

Partes de Kepler (NASA).

El campo de visión de los 42 detectores CCDs del Kepler (NASA).

Más información:

• Characteristics of Kepler Planetary Candidates Based on the First Data Set: The Majority are Found to be Neptune-Size and Smaller, Borucki et al. (junio 2010).
  

Kepler descubre sus primeros cinco planetas

El telescopio espacial Kepler fue lanzado el 7 de marzo pasado con un objetivo muy claro: detectar planetas extrasolares por el método del tránsito y, a ser posible, planetas de masa terrestres situados en la zona habitable de su estrella. Pues bien, el equipo de Kepler ha anunciado hoy mismo el descubrimiento de los primeros cinco exoplanetas a partir de los datos obtenidos en un periodo de unos cuarenta días desde que comenzaron las observaciones científicas en mayo de 2009.

Pero que nadie piense que hablamos de planetas habitables y/o de masa terrestre. Debido a las características intrínsecas al método de detección, Kepler necesita al menos tres tránsitos para confirmar la presencia de un planeta. En el caso de un exoplaneta situado en la zona habitable alrededor de una estrella similar al Sol, esto significa que se necesitan tres años para poder confirmar el descubrimiento de una exotierra. Los planetas más masivos y/o que tienen órbitas muy cercanas a su astro (denominados júpiteres y neptunos calientes) son mucho más fáciles de detectar. Por lo tanto, no es de extrañar que estos primeros planetas sean júpiteres calientes (salvo uno, que es un neptuno caliente), con masas superiores a la de nuestro gigante joviano.


Curvas de luz de los tránsitos de los cinco exoplanetas descubiertos por Kepler (NASA).


La detección de los planetas ha sido confirmada por el método de la velocidad radial (NASA).


Tamaño de los cinco planetas comparados con Júpiter y la Tierra (NASA).


Tamaño vs. temperatura de los planetas descubiertos por Kepler comparados con el Sistema Solar (NASA).


Gráfica representando la masa de los planetas respecto a la distancia a su estrella. Podemos ver como la mayoría de exoplanetas descubiertos son más masivos que Júpiter (NASA).


Posibles composiciones internas de las supertierras (NASA).


Los planetas descubiertos en función de su densidad y tamaño (NASA).

Resumiendo, estamos ante un descubrimiento "rutinario" desde el punto de vista científico, puesto que se trata de exoplanetas similares a decenas de otros ya conocidos. Sin embargo, estos planetas tienen una importancia especial y es que demuestran que Kepler funciona perfectamente y que es capaz de detectar planetas sin problemas. Y sobre todo, es un aperitivo de lo que está por venir. Con suerte, dentro de poco nos levantaremos con el descubrimiento del primer planeta habitable alrededor de una estrella enana roja.

Primera luz del Kepler

Los 42 CCDs del Kepler y sus 95 megapíxeles ya han visto su primera luz y pronto comenzarán la búsqueda de planetas extrasolares. Alrededor de algunos de esos cien mil puntos luminosos hay planetas como la Tierra esperando ser descubiertos. Pronto lo serán.


Primera luz de cuatro CCDs (NASA).



El campo de visión de 105º del Kepler (NASA).

Kepler

Kepler ya se encuentra por fin en el espacio tras su lanzamiento el día 7 de marzo a las 3:49:57 UTC por medio de un cohete Delta-2 7925-10L (D339). El lanzamiento se produjo desde la rampa LC-17B de la base aérea de Cabo Cañaveral. Si todo va bien, de aquí a unos pocos meses podremos contemplar una rueda de prensa de la NASA donde se anuncien los primeros planetas extrasolares descubiertos por esta misión. Y muy posiblemente dentro de pocos años, podremos ver otra rueda de prensa donde se haga público el descubrimiento de los primeros exoplanetas similares en tamaño a la Tierra y situados en la zona habitable de su estrella.

Kepler se anuncia como el "descubridor de Tierras", pero es más que eso: es un descubridor de exoplanetas en toda regla, bien sean éstos del tamaño de Mercurio o de Júpiter. Actualmente se conocen 342 planetas extrasolares, lo cual es todo un logro si pensamos que hace quince años sólo podíamos especular con su existencia. Hoy en día, cuando miramos a una estrella como Beta Pictoris o Pólux, sabemos que existe al menos un planeta a su alrededor, lo que ha cambiado profundamente nuestra forma de ver el Universo. El siguiente paso es detectar planetas similares a la Tierra, es decir, no sólo con una masa parecida a la de nuestro planeta, sino que estén situados en la zona habitable de su estrella (más alejada cuanto mayor sea la estrella). De esta forma podremos responder una de las preguntas más importantes de la ciencia actual: ¿es la Tierra un planeta excepcional en nuestra Galaxia?


Partes de Kepler (NASA).

Detectar exoplanetas es por tanto una prioridad, pero antes de poder buscar un análogo de la Tierra debemos conocer más sobre los procesos de formación planetaria y la proporción de estrellas con planetas. Hay varios métodos para detectar planetas, pero el del tránsito es el idóneo para descubrir un gran número de ellos en un corto espacio de tiempo sin necesidad de dedicarse a observar cada estrella individualmente y por ello será el empleado por Kepler. Este método es engañosamente simple: se mide el brillo de una estrella de forma continua y si se observa una disminución con un patrón característico, éste puede indicar la presencia de un planeta que ha pasado por delante ocultando parcialmente su estrella. Es lo que se denomina tránsito y gracias a él se han detectado ya 58 planetas. La duración máxima del tránsito, es decir, el tiempo en horas que tarda un planeta en pasar por delante del disco de la estrella cruzando su centro viene dado por la fórmula:

Donde 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 es aproximadamente 13 veces la raíz cuadrada de su semieje orbital. Por tanto, si sabemos la distancia a la estrella y su masa, podemos calcular la órbita del planeta. Si pudiésemos contemplar 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, el de la Tierra sería de 13 horas y el de Júpiter 29,6. Por lo tanto el método del tránsito nos proporciona exclusivamente información sobre la órbita y -estudiando la profundidad de la variación del brillo estelar- el tamaño del planeta, lo que a su vez nos permite estimar razonablemente su masa. Sin embargo, para estimaciones más precisas de la masa es necesario utilizar el método de la velocidad radial.


El método del tránsito.

Parece fácil, ¿no? Entonces, ¿Por qué no se han descubierto miles de exoplanetas con este método y no sólo unas pocas decenas? La razón es que, aunque el método es sencillo, su aplicación no lo es tanto. Las principales complicaciones son las siguientes:

• Observación continua: debemos observar el mismo campo estelar continuamente para maximizar las probabilidades de detección de planetas. Los instrumentos situados en tierra no pueden hacerlo por motivos obvios.
• Brillo de la estrella: cuanto más lejos esté una estrella, menor será su brillo (magnitud estelar) y menor será por tanto la posibilidad de detectar un tránsito y distinguirlo del ruido instrumental.
• Ruido y tamaño del instrumento: cuanto mayor sea el telescopio, más fácil es la detección de un tránsito, pero a cambio se reduce el campo de visión, por lo que disminuye dramáticamente la posibilidad de detectar un planeta. Para minimizar el ruido instrumental se hace necesario usar una óptica avanzada que minimice el ruido de los detectores CCD y tenga una respuesta lo más homogénea posible.
• Variabilidad estelar: muchas estrellas son variables, es decir, su brillo varía continuamente. Incluso estrellas no variables como el Sol presentan una variabilidad a determinadas escalas de tiempo (manchas solares, fulguraciones, etc.). La variabilidad introduce "ruido" en la curva de luz estelar, haciendo que ésta se aparte de una recta ideal. Si estudiamos estrellas de tipo espectral y edad similares a la solar, esta variabilidad afecta relativamente poco a la detección de planetas, pero hay que tenerla en cuenta.
• Confusión con estrellas binarias eclipsantes: los eclipses entre una pareja de estrellas binarias cercanas pueden confundirse con tránsitos planetarios.
• La atmósfera terrestre: como en cualquier otra observación astronómica, la atmósfera introduce un factor adicional de distorsión y variabilidad que limita seriamente la detección de exoplanetas.

Las fuentes de variabilidad y ruido hacen difícil la detección de exoplanetas pequeños, pues aunque un planeta del tamaño de Júpiter o Saturno causa una disminución en el brillo de la estrella durante el tránsito de sólo un 1% -fácilmente detectable-, esta variación se reduce a un 0,1% para un planeta similar a Urano (en los límites de la detección desde la Tierra) y a un pequeñísimo 0,01%, o inferior, para un planeta terrestre. Esta minúscula variación impide por el momento la detección de planetas terrestres por el método del tránsito desde la superficie terrestre. Está claro que una forma de evitar el inconveniente de la rotación terrestre es crear una red de observatorios que permita estudiar una región del cielo de forma continua, como es el caso de SuperWASP (quince planetas hasta la fecha) o TrES (cuatro exoplanetas)-, pero lo ideal sería poder contar con un observatorio espacial que no estuviese contaminado por la atmósfera terrestre.

El pionero en este sentido fue el telescopio espacial francés CoRoT, lanzado en diciembre de 2006 y que ya lleva siete exoplanetas en su haber. Sin embargo, CoRoT está situado en órbita polar y no puede contemplar la misma región del cielo constantemente -el Sol o la Tierra se lo impedirían en un determinando momento-, por lo que se pierde una de las principales ventajas de una misión espacial. La región a observar por Kepler debe por tanto estar situada fuera de la eclíptica -ya que si no fuese así el Sol pasaría una vez al año frente al telescopio- y al mismo tiempo contener el máximo número de estrellas, condición que sólo se cumple en el ecuador galáctico. Además, por motivos relativos al peso y tamaño de la cofia del cohete Delta -que limitan el tamaño del parasol- la región a estudiar no puede estar a menos de 55º de la eclíptica.

El resultado es que Kepler no observará el cielo desde la órbita baja, sino desde una órbita solar, lo que es mucho más caro y complejo, pero a cambio permitirá la observación de la misma región celeste continuamente y de paso se podrá reducir el ruido instrumental al ofrecer a la nave un entorno mucho más estable en cuanto a la variación de temperaturas (un satélite en órbita baja entra y sale continuamente de la sombra terrestre). La región seleccionada para el Kepler se encuentra entre las constelaciones del Cisne y Lira, en dirección del brazo de Orión, una región de la Vía Láctea abundante en estrellas como el Sol.



Órbita de Kepler (NASA).


Vista de la región galáctica que estudiará Kepler (Jon Lomberg/NASA).

Como hemos visto, nos interesa que el campo de visión sea lo más extenso posible, pero al mismo tiempo que el tamaño del espejo del telescopio sea grande para minimizar el ruido instrumental y aumentar la muestra de estrellas que se pueden observar. Como resultado de estos requisitos contradictorios, Kepler llevará un telescopio de tipo Schmidt -un diseño que permite el máximo campo de visión- con un espejo de 1,4 metros de diámetro, aunque sólo de 0,95 metros de apertura efectiva -que es lo que realmente cuenta-. Se trata del telescopio Schmidt más grande lanzado nunca al espacio, así como el telescopio más grande fuera de la órbita baja (donde se encuentra el Hubble). Para que nos hagamos una idea, Kepler tendrá un campo de visión de 105º cuadrados, frente a los 9º de CoRoT con su espejo de 27 cm. En realidad, CoRoT observa unos 20º a lo largo de un año -ya que cambia su campo de observación para evitar el Sol- pero no puede observar el mismo campo continuamente, lo que reduce a la mitad la probabilidad de detectar un tránsito en una estrella. Para poder observar semejante área, Kepler usará 42 CCDs -con un total de 95 megapíxels- situados en el plano focal del telescopio, mientras que CoRoT sólo emplea cuatro CCDs. Los 42 CCDs se agrupan en conjuntos de dos para observar el campo estelar de tal forma que las quince estrellas de menos de magnitud 6 estén situadas en los huecos existentes entre las CCDs para que no saturen los detectores.



El campo de visión de los 42 detectores CCDs del Kepler (NASA).


Los CCDs del Kepler (NASA).


El espejo principal durante su fabricación (NASA).

En el campo de visión de Kepler hay unas 223 000 estrellas con una magnitud visual inferior a 14. De ellas, unas 136 000 son estrellas de la secuencia principal, de las cuales se deben eliminar aquellas demasiado jóvenes, que giren muy deprisa (ya que tienen mayor actividad magnética y por tanto mayor variabilidad lumínica), o que presenten una alta variabilidad (algunas estrellas M, por ejemplo). Esto nos deja 100 000 estrellas de tipos espectrales F, G (como el Sol), K y M candidatas a detección de planetas por parte de Kepler.

La misión Kepler nació con el objetivo de detectar el máximo número de planetas extrasolares por el método del tránsito. Si conocemos la proporción de estrellas de tipo solar con planetas similares a la Tierra, podremos estudiarlos en detalle más adelante con misiones como SIM Lite, Darwin o TPF. Es importante destacar que, a diferencia de estas misiones futuras, Kepler no podrá "ver" directamente ningún planeta terrestre, sólo su impronta sobre la luz estelar. Este es el motivo por el cual el telescopio Kepler aparece correctamente en las notas de prensa como un "fotómetro", no vaya a pensarse nadie que podremos ver dentro de poco una foto de un pequeño planeta cerca de su estrella.

El método del tránsito -al igual que el de la velocidad radial- favorece la detección de planetas gigantes que orbiten muy cerca de su estrella, no la de pequeños planetas situados a grandes distancias. Por eso Kepler ha sido diseñado específicamente para poder detectar un planeta terrestre -entre 0,8 y 1,3 radios terrestres, es decir 0,5-2 masas terrestres- a una distancia de 1 UA (la distancia entre la Tierra y el Sol) en estrellas de tipo solar (tipo espectral G) con una magnitud en el visible igual a 12 o inferior cuyo tránsito tarde un mínimo de 6,5 horas. Como hemos visto, en el campo de visión de Kepler hay unas 100 000 estrellas candidatas a la detección de planetas, pero obviamente la mayoría de sistemas planetarios no están en nuestra línea de visión, haciéndolos invisibles para el método del tránsito. La probabilidad de que la órbita de un planeta como Venus se encuentre en nuestra línea de visión para que produzca un tránsito es del 0,65%, y de 0,47% para un planeta similar a la Tierra. El problema es que aquellos tránsitos que se produzcan cerca de los bordes del disco estelar no podrán ser detectados con la suficiente confianza estadística, así que sólo podremos tener en cuenta los tránsitos de planetas que pasen por las partes centrales del disco, lo cual ocurre en el 86,6% de los casos. A cambio, si una estrella tiene varios planetas rocosos, las probabilidades de detección aumentan, por lo que se estima que el 1% de las estrellas similares al Sol puede tener tránsitos detectables de planetas terrestres. Para la muestra de estrellas de Kepler, esto significa que debería haber unas 1000 estrellas con planetas semejantes en tamaño a la Tierra que podríamos descubrir.

Desgraciadamente, aunque se reduzcan las fuentes de ruido, para muchos planetas terrestres es necesario la observación de más de un tránsito para verificar su existencia y afinar los parámetros orbitales. Esto implica que en el caso de un planeta similar a la Tierra que gire alrededor de una estrella como el Sol, se hará necesario observar al menos tres tránsitos, o lo que es lo mismo, tres años de observación. Por supuesto, en estrellas menos masivas (tipos K o M) se podrán detectar planetas terrestres en su zona habitable antes (uno o dos años), ya que su órbita está más cerca de la estrella. Además, aunque la misión está optimizada para la detección de Tierras, podremos ver planetas similares a Mercurio alrededor de estrellas de tipo K o M. Teniendo en cuenta estas limitaciones, Kepler espera encontrar unos 45 planetas similares a la Tierra entre los cientos y cientos de nuevos planetas que descubrirá.

Una vez detectado un exoplaneta, si es posible se realizarán observaciones desde la superficie terrestre mediante el método de la velocidad radial para determinar su masa con un 3% de incertidumbre aproximadamente. Conociendo el tamaño del planeta -mediante el método del tránsito- y su masa, podremos conocer su densidad media. Además se podrá discriminar aquellos objetos no planetarios (enanas marrones y blancas).

Además de Tierras, Kepler podrá descubrir planetas gigantes de tipo Hot Jupiter gracias al brillo de su superficie (phase-reflections). Una vez más, no es que los podamos "ver" directamente, pero si podremos distinguir en la curva de luz estelar la contribución debida a la cara iluminada del planeta, método que ya ha sido empleado con éxito por el telescopio espacial Spitzer (este fenómeno es más pronunciado en infrarrojo). Los planetas gigantes descubiertos por este método podrán ser confirmados mediante el Spitzer o el SOFIA. Por supuesto, este método no sólo depende del tamaño del planeta, sino también de su albedo, lo que nos permitirá estudiar la atmósfera del planeta de forma indirecta.

Kepler también podrá detectar planetas en sistemas múltiples (aproximadamente la mitad de todas las estrellas), aunque los requisitos para su detección son distintos. Por ejemplo, en el caso de un planeta que orbite a un sistema de dos estrellas que tengan una amplia separación, sólo observaremos la disminución en el brillo de una de las componentes. En el caso de un exoplaneta alrededor de una binaria eclipsante, pueden tener lugar tránsitos que son predecibles, pero no periódicos. Además, Kepler espera detectar unos 30 planetas gigantes que orbiten a distancias de más de 1,6 UA.

En unos meses, el equipo de Kepler anunciará los primeros planetas descubiertos, en su inmensa mayoría de tipo Hot Jupiter. Tendremos que esperar un poco más para el esperado anuncio del descubrimiento de un planeta similar a la Tierra, pero sin duda ese día llegará y entonces la espera habrá merecido la pena.








Montaje y preparación de Kepler (NASA).




Instalación de la segunda etapa del Delta 2 (NASA).


Partes del cohete Delta 2 (NASA).




Instalación de la nave en su cofia (NASA).




Lanzamiento (NASA).



Fases y trayectoria del lanzamiento (NASA).

Animación del lanzamiento: