Doctor Pedro A. Valdés Sada
Departamento de Física y Matemáticas Universidad de Monterrey
pvaldes@intercable.net
¿Qué es un planeta? Todos tenemos una idea intuitiva de lo que son los planetas. La palabra misma evoca imágenes de un globo o una esfera que flota en el espacio, quizás acompañada de una o más lunas o tal vez de un sistema de anillos. Originalmente, la palabra “planeta” se deriva del antiguo término griego “planetes asteres”, que significa literalmente “estrella ambulante”.
Esto es evidente al saber que, para los antiguos, sin el beneficio que ahora tenemos de observaciones telescópicas, un planeta era simplemente una estrella que se movía entre las demás estrellas fijas. Esta característica era más que suficiente como para asignarles a los planetas un estatus privilegiado entre los objetos de la esfera celeste, junto con el Sol y la Luna.
Estos cuerpos ambulantes en el cielo eran considerados dioses por las culturas antiguas. Esta herencia la llevamos actualmente en el número y los nombres de los días de la semana: siete días para siete dioses celestes. Los planetas fueron inicialmente tan importantes que, para poder registrar sus movimientos en el cielo, los primeros grupos de estrellas en formarse como figuras (constelaciones) fueron las correspondientes a la franja del cielo por donde pasan los planetas. Éstas son las famosas constelaciones del zodiaco. Los planetas no viajan por toda la esfera celeste a voluntad, sino que se limitan a las constelaciones del zodiaco. Este punto era ya conocido desde mucho antes de las épocas de Claudio Ptolomeo (Siglo I).
COPÉRNICO, BRAHE, KEPLER, GALILEO…
Las primeras concepciones modernas de lo que son los planetas se las debemos a personajes tales como Nicolás Copérnico, Tycho Brahe y Johannes Kepler. Mientras que Copérnico puso al Sol en el centro del sistema solar y los planetas a su alrededor, Kepler refinó la forma de sus trayectorias como elipses, gracias a las cuidadosas observaciones visuales de Brahe. Galileo Galilei dio el golpe final y definitivo a la concepción de lo que son los planetas gracias a su utilización del telescopio. Él, más que nadie, nos mostró la existencia de nuevos mundos como el nuestro en el universo.
Posteriormente, Isaac Newton, con sus estudios y modelos de la fuerza de la gravedad, definió matemáticamente con exactitud las trayectorias de los planetas en el sistema solar. Las puertas estaban ahora abiertas al descubrimiento de nuevos planetas.
DESCUBRIMIENTO DE URANO Y NEPTUNO
El primer planeta en ser descubierto en la era moderna fue Urano. William Herschell, en 1781, lo localizó accidentalmente por su movimiento, mientras registraba las posiciones de las estrellas circundantes. Años después, variaciones en las posiciones de Urano con respecto a las predichas llevaron a suponer que otro planeta exterior afectaba gravitacionalmente al movimiento de Urano. Efectivamente, en 1846, una colaboración entre astrónomos teóricos (John Adams y Urbain Le Verrier) y observacionales (Johann Galle) logró localizar a Neptuno. El número de planetas en el sistema solar aumentó de seis a ocho.
Es interesante notar que análisis posteriores de viejas observaciones llevaron a la conclusión de que Urano y Neptuno habían sido avistados, pero no reconocidos, con anterioridad. Por ejemplo, unos dibujos de Galileo notan una estrella cerca de Júpiter, en 1612, que en realidad era el planeta Neptuno. Igualmente, Urano había sido catalogado como una débil estrella en la constelación de Tauro en 1690.
El sistema solar tuvo ocho planetas hasta 1930, cuando Clyde Tombaugh descubrió al pequeño Plutón en los límites del sistema solar. Ahora había nueve planetas que estudiar. Recientemente se ha dicho que Plutón ya no es planeta. Esto es cierto. En 2006, la Unión Astronómica Internacional, tras acaloradas discusiones, definió formalmente lo que es un planeta y Plutón fue degradado a la (nueva) categoría de “planeta enano”, por no cumplir con todas las condiciones impuestas. Nos quedamos de nuevo con ocho planetas mayores en el sistema solar.
El concepto de “planeta” ha evolucionado a través de la historia. desde ser una estrella que se mueve entre las demás, hasta un objeto de dimensiones considerables que orbita alrededor de nuestro sol. Pero… ¿puede haber planetas en otras estrellas?
PLANETAS SIMILARES A LA TIERRA
La existencia de otros mundos como el nuestro, o siquiera como Júpiter, que orbitan alrededor de otros soles fue un tema meramente especulativo por mucho tiempo, debido a que la observación de planetas en el entorno de otras estrellas es una hazaña tecnológica alcanzada solamente en los últimos 20 años. La dificultad principal radica en la diferencia de brillo entre la estrella y un posible planeta próximo. Esta es de varios órdenes de magnitud y es similar a intentar detectar a gran distancia el brillo de una luciérnaga que vuela a unos centímetros de una luminaria encendida de un estadio deportivo. Esto hace que las detecciones directas (imágenes) de planetas en órbita alrededor de otras estrellas sean extremadamente difíciles.
La forma más común de detectar lo que ahora llamamos planetas extrasolares, o exoplanetas, es utilizando métodos indirectos, que no requieran que el planeta se “vea” en una imagen. La idea principal no es tratar de observar al planeta en sí, sino observar cuidadosamente a la estrella y notar si algún comportamiento extraño pueda ser atribuible a la presencia de un planeta en órbita a su alrededor.
Una técnica para la detección de exoplanetas, utilizada desde hace más de cien años, consiste en medir la posición precisa de una estrella que se mueve por la esfera celeste. Si la estrella tiene un planeta, entonces la influencia gravitacional de éste puede causar que la estrella misma se mueva en un pequeño círculo alrededor del centro de masa común de los dos objetos. Si la estrella está lo suficientemente cerca de la Tierra, este movimiento puede ser observado. Desafortunadamente, hay muy pocas estrellas lo suficientemente próximas como para hacer de utilidad práctica esta técnica.
Otra forma de encontrar planetas alrededor de otras estrellas, relacionada con la anterior, consiste en medir el cambio de velocidad de la estrella y no necesariamente el cambio de posición de la misma. La presencia de un exoplaneta afecta la velocidad de movimiento de la estrella de forma similar al cambio de posición. Este cambio de velocidad puede ser medido con mucha mayor facilidad utilizando el “espectro” de la estrella. En este método, la luz blanca de la estrella es separada en sus diferentes colores, o longitudes de onda, utilizando instrumentos llamados espectrómetros.
El mecanismo es exactamente el mismo que utilizamos cuando pasamos la luz del sol por un prisma y observamos el arco iris de colores en que se divide, pero con mayor sofisticación y precisión. Si observamos detalladamente este espectro de colores, notamos que algunos colores “faltan”; es decir, que en su lugar hay un pequeño y angosto espacio negro. Esto quiere decir que ese color en particular nunca llegó a nuestro instrumento, sino que fue absorbido en el camino. La mayoría de estas absorciones suceden en la misma estrella y son causadas por diversos elementos y moléculas químicas en la atmósfera de la estrella.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS OBJETOS CELESTES
Cada elemento de la tabla periódica y cada molécula en particular, producen un patrón definido y único de estas líneas oscuras, que también llamamos líneas de absorción. Ésta es la forma más común en la que podemos determinar a distancia la composición química de los objetos celestes. Si ahora notamos cuidadosamente la posición, la longitud de onda de esta línea de absorción, vemos que ésta puede variar un poco de la que podemos medir en el laboratorio.
Eso es causado por la velocidad a la que se está moviendo la estrella. Si la estrella se aleja de nosotros, el desplazamiento de sus líneas de absorción será hacia longitudes de onda más largas. Si la estrella se aproxima a nosotros, el desplazamiento será hacia longitudes de onda más cortas. Entre mayor sea la velocidad de la estrella, mayor será el desplazamiento de sus líneas de absorción de su posición de laboratorio. Este mismo fenómeno, llamado “Efecto Doppler”, lo podemos experimentar en el mundo cotidiano con el sonido.
Por ejemplo, la frecuencia (tono) de la sirena de una ambulancia cambia dependiendo de la velocidad con que se acerca o se aleja de nosotros. En el caso de las estrellas, podemos medir la velocidad a la que se alejan o se acercan de nosotros de esta manera. Utilizando esta misma técnica, Edwin Hubble pudo medir la expansión del Universo a principios del siglo pasado.
DETECTADOS 342 EXOPLANETAS
Resulta que la gran mayoría de los descubrimientos de planetas extrasolares han sido realizados utilizando esta técnica. Hasta febrero de 2009, 316 exoplanetas de los 342 detectados han sido encontrados utilizando esta técnica denominada de “velocidades radiales”.
La siguiente técnica exitosa para detectar planetas alrededor de otras estrellas depende de que la órbita del posible planeta esté alineada a 90 grados del plano del cielo, de tal manera que el planeta pueda cruzar por enfrente y por detrás de su estrella. Esto no sucede con mucha frecuencia.
Estadísticamente, la mayoría de las órbitas de los exoplanetas no son de este tipo. Sin embargo, hay suficientes casos con esta geometría en particular y se han podido descubrir 58 planetas extrasolares mediante el método de “tránsitos”. En este caso, la idea es medir cuidadosamente el brillo de una estrella y esperar a que éste disminuya levemente (0.3%-3%) cuando un planeta cruza por enfrente.
Un caso similar sucede en nuestro sistema solar cuando el planeta Mercurio o el planeta Venus cruzan (transitan) por el disco solar observados desde la Tierra. Mientras que el método de velocidades radiales puede dar solamente un estimado de la masa del exoplaneta (porque la inclinación de su órbita es desconocida), en el método de tránsitos sabemos exactamente la inclinación de la órbita (casi 90 por ciento) y podemos determinar con precisión no sólo la masa del exoplaneta, sino también su tamaño, ya que los planetas grandes obstruyen una mayor cantidad de luz que los planetas menores.
PREGUNTAS SIN RESPUESTA… TODAVÍA
Existen otras técnicas de detección de planetas extrasolares, pero no son tan exitosas como las ya mencionadas. Y, ¿cómo son estos planetas extrasolares que estamos detectando? ¿Hay algunos como la Tierra? Desafortunadamente todavía no podemos contestar esta pregunta. Nuestra tecnología nos limita por el momento a la detección de los planetas más masivos y más cercanos a sus estrellas.
Esto es evidente, ya que este tipo de planetas son los que más pueden afectar el comportamiento de sus soles. Los planetas de menores tamaños y masas y más alejados afectan en menor grado el movimiento de sus estrellas. Aún no podemos detectar estos planetas. Habrá que esperar tecnologías más avanzadas y observaciones espaciales.
Muchos de los exoplanetas encontrados en otras estrellas tienen una característica interesante, que difiere marcadamente de la experiencia de nuestro sistema solar. Mientras que en el sistema solar los pequeños planetas terrestres se encuentran relativamente cerca del Sol, y los gigantes gaseosos se encuentran alejados, en muchos sistemas extrasolares los planetas encontrados son más masivos que nuestro Júpiter, y se encuentran en órbitas mucho más cercanas a su estrella de lo que nuestro Mercurio se encuentra del Sol. Esto presenta un problema particular que corresponde resolver a los investigadores que tratan de modelar la historia de la formación de un sistema solar.
¿Acaso el planeta se formó tan cerca de su sol? (poco probable) o ¿acaso el planeta se formó lejos de su sol pero “emigró” de alguna manera a su órbita actual? ¿Qué mecanismo físico puede causar este tipo de movimientos? ¿Por qué esto no sucedió en nuestro sistema solar? ¿Qué les pasó a los pequeños planetas terrestres si los gigantes gaseosos emigraron a las cercanías de su estrella? Éstas son algunas de las fascinantes preguntas que aún falta responder.
EN EL UMBRAL DE HALLAR NUEVAS TIERRAS
El futuro de la investigación en el campo de los planetas extrasolares apenas comienza. Existen decenas de proyectos alrededor del mundo dedicados al descubrimiento y estudio de los exoplanetas, y una cantidad cada vez mayor de astrónomos dedican sus esfuerzos a esta empresa. Estamos en el umbral de encontrar nuevas Tierras.
La noche del viernes 6 de marzo del año en curso, tuvo lugar el lanzamiento de la nave espacial “Kepler”, cuyo objetivo es monitorear las estrellas de una parte del cielo en las constelaciones de Cygnus y Lira. Los instrumentos de la nave son tan sofisticados, que podrán detectar planetas con dimensiones similares a las de la Tierra. Éste será apenas el primer paso para determinar la existencia de otros mundos parecidos al nuestro. Por fin comenzaremos a tener evidencias cuantitativas para poder contestar esa pregunta que tanto anhelamos responder: ¿Estamos solos en el Universo?
