Cómo una estrella puede ocultar sus Tierras

Por Xavier Dumusque, Observatorio de Ginebra

Supongamos que queremos encontrar un planeta extremadamente parecido a la Tierra, es decir, que orbite alrededor de una estrella semejante al Sol, con una masa como la terrestre y con un periodo orbital de un año. Supongamos también que queremos detectar ese objeto midiendo el efecto gravitatorio que produce sobre su estrella anfitriona. Sé lo que estás pensando: “¡Imposible, el Sol es tan pesado que no se mueve!”. Tienes razón, el Sol es extremadamente masivo, de hecho 300.000 veces más que la Tierra, pero veamos qué dice la física. Las leyes de la gravedad (¡gracias Newton!) nos dicen que todos los objetos que poseen masa interaccionan entre ellos, por lo que el Sol también debería moverse. La pregunta es ¿cuánto? Metiendo los números en las ecuaciones se obtiene un valor máximo para el desplazamiento del centro del Sol de 500 km a lo largo de un periodo de seis meses. Esto significa que este desplazamiento será 1.500 veces más pequeño que su radio, y que la velocidad máxima que alcanzará el Sol será de tan solo 0,3 km/h (más o menos la velocidad de una tortuga de paseo). Estoy de acuerdo contigo en que este movimiento es extremadamente pequeño, pero aun así, ¡se mueve!

Desplazamiento del centro del Sol inducido por el tirón gravitatorio de todos los planetas del Sistema Solar en función del tiempo. El Sol se mueve más o menos un radio solar y la mayor contribución a este desplazamiento es el planeta más masivo del Sistema Solar, Júpiter. Crédito: Carl Smith.

Imaginemos ahora que queremos construir el instrumento perfecto para medir el minúsculo efecto que produce un planeta gemelo a la Tierra sobre su estrella. Ya hemos visto que este instrumento debe ser capaz de medir velocidades de 0,3 km/h en una estrella que está a cientos de billones de kilómetros de distancia (~10^14 km). No quiero entrar en detalles, pero vamos a usar una analogía para hacernos una idea de la dificultad que esto supone. Imagina que este instrumento perfecto es una regla y que quieres medir la anchura de un objeto con la misma precisión que necesitaríamos para detectar el gemelo de la Tierra. La precisión necesaria es 10.000 veces más pequeña que la separación más pequeña entre dos marcas de la regla. Un poco difícil, ¿no? Si tienes buena vista quizá podrías distinguir cosas un tercio o una cuarta parte más pequeñas que la graduación de la regla, ¡pero no la diezmilésima parte! Los mejores instrumentos que tenemos a día de hoy (HARPS y HARPS-N) alcanzan una precisión de una milésima parte. Es decir, somos capaces de detectar un planeta diez veces más masivo que la Tierra si la estrella alrededor de la que orbita es como nuestro Sol y si su periodo orbital es de un año. En la Universidad de Ginebra, donde yo trabajo, los científicos están ahora mismo desarrollando un nuevo instrumento, llamado ESPRESSO, que tendrá la precisión necesaria para detectar planetas gemelos a la Tierra.

Ahora supongamos que ESPRESSO va a estar listo dentro de un año (ese es el plan) y que empezamos a observar varias estrellas en busca de planetas como la Tierra. Para que podamos tener la suficiente confianza en nuestra detección, hemos de observar al menos un periodo orbital completo, en este caso un año. Si estos gemelos de la Tierra existen, y estamos bastante seguros de que tiene que haber montones de ellos, deberíamos encontrar nuestro Santo Grial planetario antes de 2020. Pero—¡no tan rápido!—muchas cosas pueden salir mal, y quiero destacar el mayor problema que nos podemos encontrar. Y este gran problema son las estrellas.

Voy a intentar explicar cómo las estrellas lo pueden fastidiar todo. Todo comienza con el efecto Doppler. Un nombre muy sofisticado que les gusta usar a los físicos, pero que si no has estudiado física, probablemente no has oído, o quizá te suene el nombre de haberlo estudiando en el colegio pero ya has olvidado lo que significa. Y sin embargo, la mayor parte de nosotros nos hemos topado con el efecto Doppler en nuestra vida diaria. Fue ese día que estabas dando una vuelta por la calle y pasó una ambulancia a toda velocidad. Comenzaste a oír esa sirena estridente desde muy lejos—te concentraste en el sonido y te diste cuenta que el tono de la sirena cambió en cuanto la ambulancia pasó a tu lado. ¿Acaso el conductor pulsó un botón para cambiar el sonido de la sirena justo cuando pasó por delante de ti? Probablemente no. Para asegurarte, le preguntaste a más gente por la calle si tuvieron la misma sensación (vale, en la vida real esa gente te habría mirado como a un bicho raro, pero esto es un experimento mental y aquí puedes ser todo lo raro que te dé la gana). Y así es,  todo el mundo te confirmó que le pasó lo mismo que a ti justo cuando la ambulancia pasó a su lado—confirmando que el conductor no estaba haciendo el tonto. Lo único que ocurrió fue que antes de adelantarte la ambulancia se estaba moviendo hacia ti; y después, se estaba alejando. Y como las ondas sonoras se propagan por el aire a una velocidad finita, la diferencia entre la velocidad de la ambulancia antes y después de adelantarte crearon esa diferencia en el tono de la sirena.

Ahora ya sabes lo que es el efecto Doppler pero, ¿qué tiene que ver una ambulancia con lo que estamos tratando aquí—estrellas y planetas? Bueno, las estrellas emiten luz, y como la luz también tiene una velocidad finita (¡gracias Albert Einstein!), ocurre un efecto parecido. Sin entrar en mucho detalle, los objetos emisores de luz que se acercan hacia nosotros nos parecerán azulados (o desplazados hacia el azul), mientras que los que se alejan de nosotros tendrán un tono rojizo (o desplazado hacia el rojo). Este efecto Doppler es el fundamento de la técnica de la velocidad radial que se usa para detectar planetas. Si una estrella se mueve hacia ti y después se aleja, y hace esto de forma periódica, lo más probable es que el movimiento lo esté causando un planeta orbitando la estrella. Otro ejemplo famoso del uso del efecto Doppler en astrofísica es la medida de la expansión del Universo. Si miramos a todas las galaxias que nos rodean, vemos que su luz es más rojiza de lo que debería, y por tanto todas las galaxias del Universo se están alejando unas de otras; la conclusión lógica es que el Universo se está expandiendo.

Ya hemos dicho que el mayor obstáculo para la detección de planetas como la Tierra son sus estrellas anfitrionas. Vamos a ver por qué. Las estrellas se forman como resultado de la contracción de gigantes nubes moleculares, y debido al principio de conservación del momento angular, las estrellas deben estar rotando sobre su centro, como un patinador que pega los brazos a su cuerpo para acelerar el giro. Como el Sol tiene un periodo de rotación de 25 días y un radio de unos 500.000 km, se puede calcular que la velocidad de rotación del Sol sobre su superficie es de unos 7.200 km/h. Por tanto, si mirases con detalle al Sol, verías que la luz que nos llega por el lado que se está acercando hacia nosotros es más azul de lo que debería y la luz del lado que se aleja es más roja. ¿Te acuerdas del efecto Doppler? Entonces… ¿la rotación es la causante de que veamos medio Sol moviéndose hacia nosotros y el otro medio alejándose? Exactamente, pero como la parte desplazada al rojo y al azul son equivalentes, la velocidad promedio es cero. Esto tiene sentido, ya que el Sol sólo rota sobre su eje y no se aleja ni se acerca de nosotros.

Seguramente sepas que el Sol a veces tiene unas manchas negras sobre su superficie, las “manchas solares”. Estas manchas están son debidas a los fuertes campos magnéticos que hay dentro del Sol y que a veces emergen a la superficie. Como son oscuras, las vemos como una máscara que bloquea parte del disco solar. Por tanto pueden romper el equilibrio entre la luz desplazada al rojo y la desplazada al azul; el Sol parecerá en conjunto un poco enrojecido (o azulado) y podríamos, equivocadamente, pensar que se está alejando (o acercando) de nosotros. Si consideramos una mancha solar que cubra aproximadamente un 0,1% de la superficie del Sol, y una velocidad para la superficie del Sol de 7.200 km/h, llegamos a la conclusión de que la mancha solar provoca un efecto en la velocidad radial de 7,2 km/h, es decir, un orden de magnitud mayor que los 0,3 km/h de precisión que necesitamos para detectar planetas como la Tierra.

Mapa de velocidad Doppler del Sol observado por el instrumento MDI a bordo del satélite SOHO (izquierda). Se introdujo un punto negro para simular una mancha solar sobre la superficie del Sol. La rotación del Sol produce desplazamientos equivalentes hacia el rojo y hacia el azul, pero este equilibrio se rompe debido a la mancha solar. En la figura el punto negro enmascara parte del desplazamiento al azul, de modo que el flujo final dará la impresión de ser más rojo de lo que realmente es. Crédito: SOHO/MDI.

En conclusión, incluso aunque dispongamos de un instrumento capaz de alcanzar la precisión que necesitamos para detectar un planeta gemelo a la Tierra, las perturbaciones provocadas por las estrellas, como el efecto de las manchas solares, complican su detección de manera significativa. Hace ya 20 años que conocemos el problema de las manchas solares, pero recientemente hemos empezado a descubrir otros efectos provocados por las estrellas. Muchos científicos están intentando entender mejor esas perturbaciones e ideando nuevas técnicas para corregirlas. Yo soy uno de ellos y estoy convencido de que nos las apañaremos para resolver el problema crítico de las perturbaciones estelares en los próximos años.

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Dr. Xavier Dumusque.

Sobre el autor. El campo de especialidad del Dr. Xavier Dumusque es la detección de planetas teniendo en cuenta las señales intrínsecas estelares. Xavier estudió astrofísica en la Universidad de Ginebra, donde se doctoró en 2012, en colaboración con la Universidad de Oporto. Tras dos años en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (EEUU), volvió al Observatorio de Ginebra donde trabaja actualmente. Es el primer autor del artículo de la revista Nature que anunciaba el descubrimiento de un planeta con una masa como la de la Tierra alrededor de Alpha Centauri B (2012) y de un artículo que a presentaba el descubrimiento de una Mega-Tierra alrededor de la estrella Kepler-10 (2014). Xavier está involucrado activamente en el desarrollo de un telescopio solar que ayude a caracterizar y comprender el origen de las perturbaciones en el Sol para desarrollar técnicas vanguardistas que mitiguen su impacto en la detección de planetas como la Tierra alrededor de otras estrellas. Entre otros galardones, ha recibido el premio Schläfli por su tesis sobresaliente (Swiss Academy of Science, 2014), el premio postdoctoral del Yale Center for Astronomy and Astrophysics (2015) y la Branco Weiss fellowship (2015).

(Traducido del inglés por Rubén Herrero Illana)

10 thoughts on “Cómo una estrella puede ocultar sus Tierras”

    1. Hi Adam,
      Thanks a lot for your comment. I gave 500’000 km to give a rough estimate but indeed it is closer to 700’000. The 7’200 km/h for the rotational velocity is however measured with the correct solar radius.