La posibilidad de descubrir un planeta pequeño, frío y rocoso, que orbite una estrella de tipo solar y capaz de albergar vida - un gemelo de la Tierra, en otras palabras - ha hecho que la búsqueda de planetas fuera de nuestro sistema solar, o exoplanetas, sea la obsesión de los investigadores.
Para algunos investigadores, el estudio de los exoplanetas que se han descubierto hasta la fecha es tan importante como encontrar un gemelo de la Tierra. A pesar de que estos planetas son demasiado calientes para la vida, cuentan con características interesantes que los planetas de nuestro sistema solar no tienen. Por ejemplo, algunos tienen órbitas que van en la dirección opuesta a la rotación de su estrella anfitriona. El beneficio del estudio de estas características tiene un doble objetivo para los astrónomos. En primer lugar, les ayuda a obtener una mejor comprensión de la formación de los planetas. Esto podría ayudar a localizar candidatos terrestres y sondear los ambientes en los planetas en busca de indicios de vida. En segundo lugar, el estudio de los grandes exoplanetas permite a los investigadores crear y perfeccionar las herramientas de la investigación exoplanetaria - herramientas que les ayudarán a encontrar y confirmar el gemelo de la Tierra en primer lugar.
Joshua Winn, un profesor asistente en el Departamento de Física del MIT e investigador del Instituto Kavli de Astrofísica del MIT y en Investigación Espacial, está implicado en esos esfuerzos. Busca planetas rocosos en la zona habitable de su estrella anfitriona y también estudia "Júpiteres calientes", o exoplanetas que son del tamaño de Júpiter ( 318 veces la masa de la Tierra). Aunque los Júpiteres calientes son relativamente fáciles de detectar debido a su tamaño, se encuentran tan cerca de sus estrellas de acogida que son demasiado calientes para mantener la vida. Aun así, la investigación en curso de Winn de estos planetas ha dado resultados valiosos que pueden aplicarse a la formación de todos los exoplanetas, de menor tamaño, los más fríos.
"Queremos saber dónde están las Tierras, y eso significa que hay que averiguar los principales procesos de la formación de planetas", explica Winn, quien ha estado estudiando Júpiteres calientes durante seis años. Al descubrir cómo estos planetas han evolucionado con el tiempo, dice, los investigadores podrían eventualmente desarrollar una "teoría mejor" de la formación de planetas que les ayuden a identificar los tipos de estrellas que tienen más probabilidades de albergar a los gemelos potenciales de la Tierra. Esto también podría ayudar a entender cómo las atmósferas de estos planetas se desarrollan.
Luz estelar, estrella brillante
Cuando los científicos empezaron a descubrir planetas masivos, incluidos los "Júpiteres calientes", a mediados de la década de 1990, los planetas no se parecían en nada a los planetas de nuestro sistema solar. No sólo la órbita de los Júpiteres calientes estaba muy cerca de sus estrellas (alrededor de 10 veces más cerca que Mercurio del Sol en el sistema solar), sino también que muchos tienen órbitas muy elípticas (ovalada similar), a diferencia de los planetas del sistema solar, que tienen órbitas casi circulares.
Los planetas del sistema solar están bien alineados, es decir, su movimiento orbital es el mismo que la rotación de su estrella madre. Los científicos creen que estas características son pistas que los planetas del sistema solar se formaron del mismo disco de gas y polvo que su estrella madre. Durante años, se supone que los planetas en otros sistemas siguieron el mismo patrón.
Pero en 2009, se descubrió que los Júpiteres calientes no necesariamente se alinean con la rotación de sus estrellas, lo que sugiere que pueden haberse formado de forma diferente. Para poder descubrir cómo los exoplanetas se formaron, Winn utiliza telescopios basados en tierra y otros instrumentos para medir los cambios tanto en el brillo y las longitudes de onda de la luz de las estrellas que se observan en los tránsitos del planeta, o tránsitos por delante de su estrella madre. Estos métodos proporcionan estimaciones del tamaño de un planeta, y también pueden revelar características de la órbita de un planeta gracias al fenómeno de desplazamiento Doppler que crea sutiles cambios de color en las longitudes de onda emitida en la luz estelar.
Porque él está interesado en la formación de planetas, los estudios Winn la orientación de la órbita con respecto a la orientación de su estrella anfitriona de un exoplaneta. Se le considera un profesional líder de explotar el efecto Rossiter-McLaughlin - un fenómeno físico que ocurre cuando un planeta transita su estrella y cambia el aspecto de la luz estelar se produce como resultado del efecto Doppler - para trazar la posición de un planeta en relación a la dirección de la rotación de su estrella anfitriona.
Al medir los cambios de luz producido por este efecto antes, durante y después de un tránsito, Winn puede saber si el planeta está en una órbita hacia adelante siguiendo la rotación de la estrella, si su órbita está inclinada en un ángulo o incluso si el planeta está en órbita hacia atrás en relación a la rotación de su estrella . Ha descubierto planetas con uno o más de estos rasgos.
Desentrañar los misterios orbitales
La investigación de Winn sobre los Júpiteres calientes arroja luz sobre la complejidad de la formación de los planetas. Podría haber diferentes maneras en la manera que se forman los planetas: el hecho es que se necesitan más datos para confirmar las teorías existentes. Si bien todas las teorías proponen que un planeta y su estrella se forman del mismo disco de polvo; ahora dos teorías se han propuesto para explicar los recientes descubrimientos de los Júpiteres calientes bien alineados y desalineados que se encuentran tan cerca de sus estrellas. El primero sugiere que el planeta poco a poco va en espiral hacia su estrella debido a la interacción gravitatoria con el disco. Esta teoría predice que la órbita del planeta debe estar alineada con el disco y también en consonancia con la rotación de la estrella.
Otra teoría sugiere que el disco tiene un efecto mínimo en el planeta, y que en realidad hay más de un planeta orbitando la estrella misma. Si bien no es raro que más de un planeta orbitara la misma estrella. Las estrellas con Júpiteres calientes tienden a no tener otros planetas gigantes dentro del rango de distancias orbitales detectables. En este escenario, la teoría sugiere que las interacciones gravitatorias con ese otro cuerpo planetario podrían haber llevado al planeta hacia el interior en una órbita inclinada del planeta. Esta teoría predice que las órbitas de los planetas podrían tener una amplia gama de orientaciones, entre ellas algunos que son drásticamente mal alineados con respecto a la rotación de la estrella.
En un artículo publicado en "Cartas de Diario Astrofísico" , en agosto, Winn ofrece una nueva interpretación que apoya la teoría de este último. De los 19 "Júpiteres calientes" cuyas órbitas se ha analizado, 11 están alineados con su estrella anfitriona , y ocho están desalineados. Su análisis revela que los planetas alineados pasan a la órbita de las estrellas más calientes en la prueba, lo que dice puede ser un indicio de que los planetas orbitan alrededor de estrellas calientes de forma diferente que en la órbita de las estrellas más frías. Winn también sugiere que tal vez las órbitas de todos los "Júpiteres calientes" con el tiempo se alinean mal, y que los planetas que orbitan estrellas más frías realinean la rotación con la estrella con el tiempo.
Scott Tremaine, un astrofísico en el Instituto de Estudios Avanzados, cree que Winn ha ofrecido una "explicación muy interesante" para este tipo de planetas. Pero señala que si las estrellas frías eran tan poderosas que podían reajustar las órbitas de los planetas con su propia rotación, no está claro por qué no eran lo suficientemente fuertes como para tragar en realidad a los planetas. "La tendencia debe ser confirmada con una prueba más grande para obtener una mejor comprensión de la evolución de estos planetas", dice.
Winn recoge los datos para ver si el patrón se mantiene para una prueba más grande, que planea estudiar las órbitas de los planetas más pequeños, tales como exoplanetas del tamaño de Neptuno y "súper-Tierras" o planetas que son de dos a 10 veces la masa de la Tierra. Mediante el estudio de planetas cada vez más pequeños, que espera para refinar las teorías de la formación de los planetas que pueden ayudar a los investigadores a averiguar cómo se forman los planetas similares a la Tierra y dónde.
Winn también está tratando de mejorar la precisión de la observación de los métodos basados en tierra. En particular, le gustaría desarrollar nuevas formas de reducir la interferencia de las mediciones telescópicas producida por la atmósfera de la Tierra que se incluye en la luz de las estrellas capturadas por los telescopios. "Todo este trabajo nos ayudará a comprender planetas gemelos como la Tierra ", dice. "Y ese es el premio para los próximos 10 años, o incluso antes."
