Durante incontables generaciones, los seres humanos han mirado al cielo nocturno y se han preguntado si estaban solos en el Universo. Con el descubrimiento de otros planetas en nuestro Sistema Solar, la verdadera extensión de la Vía Láctea y otras galaxias más allá de la nuestra, esta pregunta solo se ha profundizado y se ha vuelto más profunda.

Y mientras que los astrónomos y científicos han sospechado durante mucho tiempo que otros sistemas estelares en nuestra galaxia y el Universo tenían planetas en órbita propios, solo ha sido en las últimas décadas que se ha observado alguno. Con el tiempo, los métodos para detectar estos «planetas extrasolares» han mejorado, y la lista de aquellos cuya existencia se ha confirmado ha crecido en consecuencia (¡más de 4000 y contando!)

Definición:

Un planeta extrasolar (aka. exoplaneta) es un planeta que orbita una estrella (es decir, es parte de un sistema solar) que no es el nuestro. Nuestro Sistema Solar es solo uno entre miles de millones y muchos de ellos probablemente tienen su propio sistema de planetas. Ya en el siglo XVI, hubo astrónomos que plantearon la hipótesis de la existencia de planetas extrasolares.

La primera mención registrada fue hecha por el filósofo italiano Giordano Bruno, uno de los primeros partidarios de la teoría Copernicana. Además de apoyar la idea de que la Tierra y otros planetas orbitan alrededor del Sol (heliocentrismo), expuso la opinión de que las estrellas fijas son similares al Sol y que también están acompañadas de planetas.

En el siglo XVIII, Isaac Newton hizo una sugerencia similar en la sección «General Scholium» que concluye su Principia. Haciendo una comparación con los planetas del Sol, escribió: «Y si las estrellas fijas son los centros de sistemas similares, todas se construirán de acuerdo con un diseño similar y estarán sujetas al dominio de Uno.»

Desde la época de Newton, se han hecho varias afirmaciones de descubrimiento, pero todas fueron rechazadas por la comunidad científica como falsos positivos. En la década de 1980, un grupo de astrónomos afirmó que habían identificado algunos planetas extrasolares en sistemas estelares cercanos, pero no pudieron confirmar su existencia hasta años más tarde.

Primeros descubrimientos:

Una de las razones por las que los planetas extrasolares son tan difíciles de detectar es porque son incluso más débiles que las estrellas que orbitan. Además, estas estrellas emiten luz que «lava» a los planetas, es decir, los oscurece de la observación directa. Como resultado, el primer descubrimiento no fue hecho hasta 1992 por los astrónomos Aleksander Wolszczan y Dale Frail.

Utilizando el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, la pareja observó varios planetas de masa terrestre orbitando el púlsar PSR B1257+12. No fue hasta 1995 que se hizo la primera confirmación de exoplanetas alrededor de una estrella de secuencia principal. En este caso, el planeta observado fue 51 Pegasi b, un planeta gigante encontrado en una órbita de cuatro días alrededor de la estrella similar al Sol 51 Pegasi (aproximadamente a 51 años luz de nuestro Sol).

Inicialmente, la mayoría de los planetas detectados eran gigantes gaseosos similares o más grandes que Júpiter – lo que llevó a acuñar el término «Súper Júpiter». Lejos de sugerir que los gigantes gaseosos eran más comunes que los planetas rocosos (es decir, «parecidos a la Tierra»), estos hallazgos se debieron simplemente al hecho de que los planetas del tamaño de Júpiter son simplemente más fáciles de detectar debido a su tamaño.

La Misión de Kepler:

Nombrado en honor al astrónomo renacentista Johannes Kepler, el observatorio espacial Kepler fue lanzado por la NASA el 7 de marzo de 2009 con el propósito de descubrir planetas similares a la Tierra que orbitan otras estrellas. Como parte del Programa Discovery de la NASA, una serie de proyectos de relativamente bajo costo centrados en la investigación científica, la misión de Kepler era encontrar evidencia de planetas extrasolares y estimar cuántas estrellas de nuestra galaxia tienen sistemas planetarios.

Basándose en el Método de detección de Tránsito (ver más abajo), la suela de Kepler utilizó un fotómetro para monitorear continuamente el brillo de más de 145,000 estrellas de secuencia principal en un campo de visión fijo. Estos datos se transmitieron a la Tierra, donde fueron analizados por científicos para buscar signos de atenuación periódica causada por planetas extrasolares que transitaban (pasaban) frente a su estrella anfitriona.

La vida útil prevista inicial de la misión Kepler fue de 3,5 años, pero los resultados superiores a los esperados llevaron a que la misión se extendiera. En 2012, se esperaba que la misión durara hasta 2016, pero esto cambió debido al fallo de dos de las ruedas de reacción de la nave espacial, que se utilizan para apuntar la nave espacial. Esto impidió la reunión de datos científicos y puso en peligro la continuación de la misión.

El 15 de agosto de 2013, la NASA anunció que había renunciado a intentar arreglar las dos ruedas de reacción fallidas y modificó la misión en consecuencia. En lugar de desechar a Kepler, la NASA propuso cambiar la misión a utilizar Kepler para detectar planetas habitables alrededor de estrellas enanas rojas más pequeñas y tenues. Esta propuesta, que se conoció como K2 «Segunda Luz», fue aprobada el 16 de mayo de 2014.

La misión K2 (que duró hasta entonces ) se centró más en estrellas más brillantes (como las estrellas de clase G y K). Hasta el 6 de febrero de 2021, los astrónomos han confirmado la presencia de 4.341 exoplanetas en 3.216 sistemas planetarios, la mayoría de los cuales se encontraron utilizando datos de Kepler. En total, la sonda espacial observó más de 530.506 estrellas en el curso de sus misiones primaria y K2.

En noviembre de 2013, los astrónomos informaron (basados en los datos de la misión espacial Kepler) que 1 de cada 5 estrellas de la vía Láctea podría tener planetas del tamaño de la Tierra orbitando dentro de sus zonas habitables, entre 40 y 80 mil millones. Además, estimaron que del 7 al 15% de estos planetas (un promedio de 5,6 mil millones) orbitan estrellas similares al Sol, también conocidas como «aka». secuencia principal enanas amarillas tipo G.

Planetas habitables:

El primer exoplaneta que Kepler confirmó que tenía una distancia orbital promedio que lo situaba dentro de la zona habitable de su estrella fue Kepler-22b. Este planeta se encuentra a unos 600 años luz de la Tierra en la constelación de Cygnus y fue observado por primera vez el 12 de mayo de 2009, confirmado el 5 de diciembre de 2011. Basándose en todos los datos obtenidos, los científicos creen que este mundo tiene aproximadamente 2,4 veces el radio de la Tierra y tiene océanos o una capa exterior acuosa.

El descubrimiento de exoplanetas también ha intensificado el interés en la búsqueda de vida extraterrestre, particularmente para aquellos que orbitan en la zona habitable de la estrella anfitriona. También conocida como la» zona de ricitos de oro», esta es la región del sistema solar donde las condiciones son lo suficientemente cálidas (pero no demasiado cálidas) para que sea posible que exista agua líquida (y por lo tanto vida) en la superficie del planeta.

Antes del despliegue de Kepler, la gran mayoría de los exoplanetas confirmados caían en la categoría de tamaño de Júpiter o más grande. Sin embargo, en el transcurso de sus misiones, Kepler logró identificar a más de 6000 candidatos potenciales, muchos de ellos pertenecientes a las categorías de tamaño de la Tierra o «supertierra». Muchos de ellos se encuentran en la zona habitable de sus estrellas madre, y algunos incluso alrededor de estrellas similares al Sol.

Y de acuerdo con un estudio realizado por el Centro de Investigación Ames de la NASA, el análisis de los datos de la misión Kepler indicó que alrededor del 24% de las estrellas de clase M pueden albergar planetas potencialmente habitables del tamaño de la Tierra (es decir, aquellos que son más pequeños que 1,6 veces el radio de la Tierra). Basado en el número de estrellas de clase M en la galaxia, eso solo representa alrededor de 10 mil millones de mundos potencialmente habitables, parecidos a la Tierra.

Mientras tanto, los análisis de la fase K2 sugieren que aproximadamente una cuarta parte de las estrellas más grandes estudiadas también pueden tener un planeta del tamaño de la Tierra orbitando dentro de sus zonas habitables. En conjunto, las estrellas observadas por Kepler representan aproximadamente el 70% de las que se encuentran dentro de la Vía Láctea. Así que uno puede estimar que hay literalmente decenas de miles de millones de planetas potencialmente habitables solo en nuestra galaxia.

Métodos de detección:

Mientras que algunos exoplanetas se han observado directamente con telescopios (un proceso conocido como «Imágenes directas»), la gran mayoría se han detectado a través de métodos indirectos como el método de tránsito y el método de velocidad radial. En el caso del Método de tránsito (aka. Fotometría de tránsito), se observa un planeta al cruzar el camino (es decir, transitar) frente al disco de su estrella madre.

Cuando esto ocurre, el brillo observado de la estrella disminuye en una pequeña cantidad. Esto se puede usar para determinar el radio del planeta y, a veces, puede permitir que la atmósfera de un planeta se investigue a través de espectroscopia. Sin embargo, también sufre de una tasa sustancial de falsos positivos y requiere que parte de la órbita del planeta se cruce con una línea de visión entre la estrella anfitriona y la Tierra.

Como resultado, la confirmación de otro método generalmente se considera necesaria. Sin embargo, sigue siendo el método más utilizado y es responsable de más descubrimientos de exoplanetas que todos los otros métodos combinados. Tanto el Telescopio Espacial Kepler como TESS fueron diseñados específicamente para realizar este tipo de fotometría (ver arriba).

La Velocidad Radial (o Método Doppler) implica medir la velocidad radial de la estrella, es decir, la velocidad con la que se mueve hacia o lejos de la Tierra. Es un medio para detectar planetas porque, a medida que los planetas orbitan una estrella, ejercen una influencia gravitacional que hace que la estrella en sí se mueva en su pequeña órbita alrededor del centro de masa del sistema. Este método tiene la ventaja de ser aplicable a estrellas con una amplia gama de características.

Sin embargo, una de sus desventajas es que no puede determinar la verdadera masa de un planeta, sino que solo puede establecer un límite inferior en esa masa. Sigue siendo la segunda técnica más eficaz empleada por los cazadores de exoplanetas. Otros métodos incluyen Variación de Tiempo de Tránsito (TTV) y Microlentes Gravitacionales. El primero se basa en medir las variaciones en los tiempos de tránsito de un planeta para determinar la existencia de otros.

Este método es eficaz para determinar la existencia de múltiples planetas en tránsito en un sistema, pero requiere que la existencia de al menos uno ya esté confirmada. En otra forma del método, la sincronización de los eclipses en una estrella binaria eclipsante puede revelar un planeta exterior que orbita ambas estrellas. A partir de febrero de 2020, se han encontrado 21 planetas con este método, mientras que se confirmaron muchos más.

En el caso de la Microlente Gravitacional, esto se refiere al efecto que puede tener el campo gravitacional de una estrella, actuando como una lente para magnificar la luz de una estrella de fondo distante. Los planetas que orbitan esta estrella pueden causar anomalías detectables en el aumento con el tiempo, lo que indica su presencia. Esta técnica es eficaz para detectar estrellas que tienen órbitas más anchas (1-10 UA) de estrellas similares al Sol.

Existen otros métodos que, solos o en combinación, han permitido la detección y confirmación de más de cuatro mil exoplanetas, mientras que otros 5.742 candidatos esperan confirmación. De estos, 1473 (34%) han sido gigantes gaseosos comparables a Neptuno (similar a Neptuno), mientras que 1359 (31%) han sido gigantes gaseosos comparables a Júpiter (similar a Júpiter).

Otros 1340 (31%) han sido planetas terrestres que son varias veces más masivos que la Tierra (Súper Tierras), mientras que 163 han sido comparables a la Tierra en términos de tamaño y masa (4%). Otros 6 exoplanetas han sido detectados y confirmados que permanecen sin clasificar.

Más cercano a la Tierra

El 24 de agosto de 2016, la ESO confirmó la existencia de un exoplaneta rocoso del tamaño de la Tierra que orbita Próxima Centauri, una estrella de tipo M (enana roja) ubicada a 4,25 años luz de distancia. Esto hace que este exoplaneta en particular, conocido como Próxima b, sea el exoplaneta más cercano a la Tierra. Igualmente importante es el hecho de que se cree que orbita dentro de la zona habitable de Próxima Centauri.

El descubrimiento fue realizado por la campaña Pale Red Dot y un equipo de astrónomos dirigido por el Dr. Guillem Anglada-Escudé de la Universidad Queen Mary de Londres. Basado en observaciones realizadas utilizando el Buscador de Planetas de Velocidad Radial de Alta Precisión (HARPS) y los espectrógrafos Ultravioleta y Visual Echelle (UVE) del Observatorio La Silla y el Very Large Telescope de ESO.

Basado en los datos obtenidos por la campaña de Punto Rojo Pálido y las observaciones posteriores, Se estima que Próxima b es 1,2 veces más masiva que la Tierra y entre una y 1,3 veces su tamaño. Orbita su estrella madre a una distancia de aproximadamente 0,05 UA (7,5 millones de km; 4,6 millones) y tarda solo 11,2 días en completar una sola órbita. Al igual que muchos planetas rocosos que orbitan estrellas de tipo M, se cree que Próxima b está bloqueada por las mareas.

Dada la naturaleza tenue de las estrellas de tipo M y su tendencia a producir llamaradas poderosas, no está claro si Próxima b podría mantener una atmósfera y agua líquida en su superficie con el tiempo. Se han realizado múltiples estudios y modelos climáticos para determinar la probabilidad de que Próxima b pueda sustentar la vida, pero no ha surgido un consenso científico.

Por un lado, múltiples estudios han concluido que la actividad de la llamarada solar de su estrella anfitriona inevitablemente despojaría a Próxima b de su atmósfera e irradiaría la superficie. Mientras tanto, otras investigaciones y modelos han encontrado que si Próxima b tiene un campo magnético, una atmósfera densa y abundante agua superficial y cubierta de nubes, las probabilidades de que sea habitable son alentadoras.

En enero de 2020, un equipo de astrónomos dirigido por el INAF anunció la posible detección de un segundo planeta alrededor de Próxima Centauri (utilizando mediciones de Velocidad Radial). De acuerdo con el artículo del equipo de investigación, sus mediciones indicaron la presencia de un mini-Neptuno (Próxima c) orbitando su estrella madre a una distancia de 1,5 UA (~224,4 millones de km; ~139,4 millones de millas).

En junio de 2020, un equipo de astrónomos del Observatorio McDonald de la Universidad de Texas utilizó mediciones de velocidad radial recogidas por el Hubble (hace 25 años) para confirmar la presencia de Próxima c. Su investigación también colocó restricciones más estrictas en la masa del planeta y el período orbital, que ahora se estiman en 0. 8 masas de Júpiter y ~1900 días, respectivamente.

En diciembre de 2020, los astrónomos del radiotelescopio Parkes en Australia anunciaron la detección de una señal de radio «tentadora» procedente de la dirección de Próxima Centauri. La señal fue captada entre abril y mayo de 2019 como parte de una Innovadora campaña de observación de Escucha. Esta señal, Breakthrough Listen Candidate 1 (BLC1), duró 30 horas y mostró una serie de características curiosas.

Por ejemplo, la señal era una emisión de banda estrecha extremadamente aguda, a 982 megahercios (MHz), que parecía estar experimentando un cambio de frecuencia (también conocido como «shift of frequency»). Efecto Doppler). Según varios astrofísicos, esto es consistente con una fuente en movimiento (es decir, un planeta orbitando su estrella). Sin embargo, la comunidad científica ha anunciado desde entonces que es poco probable que la señal sea otra cosa que el resultado de fenómenos naturales.

Misiones actuales

El 18 de abril de 2018, la NASA lanzó al espacio el Satélite de Reconocimiento de Exoplanetas en Tránsito (TESS). Esta misión ha captado efectivamente el rastro trazado por Kepler, utilizando el mismo método pero instrumentos superiores para monitorear miles de estrellas simultáneamente. Equipado con cuatro telescopios de gran angular y detectores de dispositivos de acoplamiento de carga (CCD) asociados, TESS está llevando a cabo actualmente el primer levantamiento de exoplanetas en tránsito por todo el cielo a bordo del espacio.

La misión principal de TESS duró dos años, que terminó oficialmente el 5 de julio de 2020, seguida de que la NASA anunciara una extensión de 27 meses el 12 de agosto. Durante el primer año de su Misión Extendida, TESS volverá a observar el hemisferio eclíptico sur (que monitoreó durante su misión principal) y los próximos 15 meses monitoreará el arte del hemisferio eclíptico norte y ~60% de la eclíptica.

Durante su misión principal, TESS escaneó alrededor del 75% del cielo y observó 200.000 de las estrellas más brillantes cerca del Sol en busca de signos de exoplanetas en tránsito. Hasta el 6 de febrero de 2021, la misión TESS ha detectado un total de 2.487 exoplanetas y ha confirmado 107, que van desde candidatos terrestres hasta superjupiters.

Además, el Observatorio Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA) continuó monitoreando las posiciones precisas, los movimientos propios y las órbitas de más de mil millones de estrellas, planetas, cometas, asteroides y cuásares. Esta misión comenzó a operar en 2013 (el mismo año en que el Telescopio Espacial Herschel de la ESA se retiró) y su misión principal estaba prevista para durar cinco años.

Actualmente, Gaia se encuentra en una parte extendida de su misión que durará hasta el 31 de diciembre de 2022, aunque se espera que reciba otra extensión hasta el 31 de diciembre de 2025. Hasta la fecha, la misión ha estado en operación continua durante 7 años, 1 mes y 18 días, y continuará cartografiando el cosmos con el fin de crear el catálogo espacial 3D más grande y preciso jamás creado.

Otra misión de caza de exoplanetas supervisada por la ESA es el Satélite CHaracterising ExOPlanets Satellite (CHEOPS), que se lanzó en diciembre. 18th, 2019, y es la primera misión de clase pequeña en el programa de ciencia de Visión Cósmica de la ESA. Entre ahora y el final de su misión principal (programada para mediados de 2023), CHEOPS estudiará exoplanetas conocidos para obtener estimaciones más precisas sobre su masa, densidad, composición y formación.

Y, por supuesto, está el venerable Telescopio Espacial Hubble, ¡que ha permanecido en funcionamiento durante más de 30 años! Además de hacer descubrimientos profundos que han alterado nuestra percepción del Universo que nos rodea (como medir la velocidad de expansión cósmica, lo que lleva a la teoría de la Energía Oscura), el Hubble también ha desempeñado un papel vital en la detección y caracterización de exoplanetas.

Por ejemplo, al principio de su misión, el Hubble detectó discos de desechos alrededor de estrellas distantes (de las que se forman planetas), así como sistemas planetarios que estaban en proceso de formación. Mientras tanto, los archivos de las observaciones pasadas del Hubble han permitido a los astrónomos regresar y encontrar evidencia de planetas que hacen tránsitos frente a sus estrellas, así como proporcionar espectros que permitieron la caracterización de atmósferas de exoplanetas.

Los muchos años de observación del Hubble también ayudaron a los astrónomos a aprender sobre la diversidad de exoplanetas y establecer el método actual para clasificarlos. Además de todo eso, el Hubble ha enseñado a los astrónomos mucho sobre la diversidad de estrellas madres y cómo sus características pueden influir en la habitabilidad de un planeta.

Misiones futuras

En los próximos años, se enviarán al espacio varios telescopios espaciales de próxima generación para ayudar en la búsqueda continua de exoplanetas habitables. El 31 de octubre de 2021, el tan esperado Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA será lanzado a su posición en el Punto Lagrange Sol-Tierra L2. Esta misión será el telescopio espacial más grande y sofisticado hasta la fecha y tendrá que pasar por una fase de despliegue compleja una vez que esté en posición.

Utilizando su suite de infrarrojos (IR) altamente sofisticada y coronógrafos que bloquean la luz, el JWST podrá detectar exoplanetas de menor masa que orbitan más cerca de sus estrellas. Aquí es donde se espera que se encuentren la mayoría de los planetas rocosos similares a la Tierra que orbitan dentro de la zona habitable de una estrella (y por lo tanto se consideran «potencialmente habitables»).

Hasta ahora, los telescopios espaciales existentes no tienen la resolución o sensibilidad para estudiar estos planetas a través de Imágenes Directas. Los telescopios existentes tampoco han sido capaces de obtener espectros de planetas rocosos más pequeños cuando transitan frente a sus estrellas. Sin embargo, los instrumentos JWST podrán determinar la composición química de las atmósferas de exoplanetas examinando qué longitudes de onda IR son absorbidas y/o radiadas.

También está el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace, una misión sucesora apodada la «Madre del Hubble».»Peinar un 2.espejo primario de 4 metros (pies) con la cámara infrarroja de Instrumento de Amplio Campo, un coronógrafo, un espectrómetro y un gran campo de visión, el telescopio espacial Romano podrá llevar la misma nitidez de imagen del Hubble a un área del cielo 100 veces mayor.

La ESA también está preparando una serie de observatorios de próxima generación, como el telescopio espacial PLATÓN (Planetary Transits and Oscillations of stars). Esta misión observará hasta un millón de estrellas para tránsitos planetarios, intentará caracterizar sus atmósferas y caracterizar estrellas midiendo sus oscilaciones. Esta será la tercera misión de clase media en el programa de Visión Cósmica de la ESA y está previsto que se lance en algún momento en 2022.

A esto le seguirá la cuarta misión media de Cosmic Visión, conocida como Estudio de Exoplanetas Infrarrojos de teledetección atmosférica (ARIEL). Esta misión, que se lanzará en algún momento de 2029, observará al menos 1.000 exoplanetas conocidos mientras transitan frente a sus estrellas para estudiar y caracterizar la composición y las estructuras térmicas de sus atmósferas.

Hay un universo entero de mundos por descubrir, ¡y apenas hemos arañado la superficie!

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Para obtener más información, consulte la página de inicio de Kepler en la NASA. La página de la Sociedad Planetaria sobre Exoplanetas también es interesante, al igual que el Archivo de Exoplanetas de la NASA, que se mantiene con la ayuda de Caltech.

Astronomy Cast tiene un episodio sobre el tema-Episodio 2: En busca de otros Mundos.