Los astrónomos rastrean el nacimiento de un planeta

En 1960, la estrella fue uno de los dos objetivos de la primera búsqueda SETI – el proyecto Ozma, de Frank Drake. Unos pocos años después, cuando Star Trek llegó a las pantallas de televisión de toda Norte América, Epsilon Eridani fue designado como el sol de Vulcano, el mundo del Sr. Spock. En el año 2000, se detectó un planeta real orbitando a Epsilon Eridani – uno de los primeros planetas extrasolares descubiertos, y el más cercano a La Tierra. Y ahora, las décadas de observaciones detalladas de la estrella han dado un resultado verdaderamente destacable: la primera evidencia directa de que los planetas se forman a partir de nubes de gas y polvo que se arremolinan alrededor de estrellas jóvenes.

La “teoría del disco” para explicar la formación de planetas no es nueva. Ya en 1755 el filósofo alemán Immanuel Kant especuló con que los planetas evolucionaban a partir de la condensación de la materia de discos en rotación alrededor de estrellas. La teoría, conocida en la época como la “hipótesis nebular”, tuvo su primera descripción científica en 1796 gracias al erudito francés Pierre-Simon Laplace. Hasta ese momento, la hipótesis tuvo el apoyo de algunos astrónomos, pero no fue hasta la segunda mitad del siglo XX que se convirtió en la teoría de formación de planetas generalmente aceptada y cuantificable. La prueba más convincente para la teoría vino del único sistema planetario conocido hasta el momento – nuestro propio sistema solar, en el que todos los planetas orbitan en el mismo sentido y, más o menos, en el mismo plano. La conclusión de que los planetas fueron una vez parte de un único disco de materia rotando alrededor del Sol parecía algo natural.

A pesar de la aceptación prácticamente universal de la teoría del disco para explicar la formación de planetas, no fue hasta 1983 que el satélite IRAS (Infrared Astronomical Satellite – Satélite Astronómico de Infrarrojos) proporcionó la primera prueba directa que apoyaba la teoría, mediante la detección de una nube de gas frío y partículas sólidas alrededor de la estrella Alpha Lyrae. Al año siguiente, el telescopio de 2.5m de Las Campanas en Chile obtuvo una de las más famosas imágenes astronómicas del siglo XX, fotografiando directamente una especie de “disco protoplanetario” rodeando Beta Pictoris. En los años 90, el telescopio espacial Hubble fotografió cientos de discos similares, demostrando que los discos protoplanetarios son una característica muy común, por no decir general, de las estrellas jóvenes. Con la posterior detección desde 1995 de más de 200 planetas orbitando estrellas lejanas, los científicos empezaron a buscar planetas que orbitasen en el interior de discos protoplanetarios existentes. Esto proporcionaría por primera vez evidencias directas de que los planetas ciertamente nacen a partir de estos remolinos de gas y polvo.

Agrandar Disco alrededor de AU Microscopii Imagen obtenida por el Telescopio Espacial Hubble del disco de gas y polvo que rodea a la estrella enana roja AU Microscopii. Los planetas pueden formarse, o estar orbitando, en el disco. La imagen fue tomada el 9 de Diciembre de 2004. Créditos: NASA, ESA, J.E. Krist (STScI/JPL); D.R. Ardila (JHU); D.A. Golimowski (JHU); M. Clampin (NASA/Goddard); H.C. Ford (JHU); G.D. Illingworth (UCO-Lick); G.F. Hartig (STScI) y el ACS Science Team.

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Conocido esto, encontrar un planeta así no es fácil. El problema está en que a pesar de que los discos protoplanetarios pueden ser fotografiados directamente por el Hubble así como por telescopios situados en la superficie de La Tierra, no ocurre lo mismo con los planetas extrasolares. La existencia de planetas se conoce únicamente de manera indirecta gracias al efecto que producen en el espectro, el brillo o la posición de su estrella – dependiendo del método de detección empleado. Hasta la fecha, la inmensa mayoría de los planetas descubiertos orbitando otras estrellas han sido encontrados mediante espectroscopía Doppler (también conocido como el método de la velocidad radial), el cual mide los cambios cíclicos en el espectro de la estrella cuando esta oscila adelante y atrás debido a la atracción de un planeta en órbita. Un aspecto negativo de este método es que sólo mide uno de los ejes del movimiento de la estrella – hacia La Tierra o en sentido opuesto. Esto significa que siempre es posible que el plano en el que se mueve la estrella esté inclinado cuando se observa desde La Tierra, pero sólo detectamos la componente de su movimiento que está alineada con nuestro punto de observación. El hecho de que el movimiento oscilante de la estrella se de en el mismo plano que la órbita de sus planetas, significa que nunca podrá conocerse el plano orbital de un sistema planetario lejano usando únicamente la espectroscopía.

Esto representa un problema para los científicos que pretenden observar el nacimiento de un sistema planetario. Incluso si encuentran una estrella que tiene un planeta y un disco, ¿cómo pueden saber que ambos están orbitando juntos, en el mismo plano? Como los astrónomos no pueden determinar el ángulo del plano orbital del planeta, no pueden compararlo con el ángulo del disco que rodea a la estrella. Por esto se ha de encontrar un método diferente para determinar la inclinación real del plano orbital del planeta.

En un próximo artículo en The Astrophysical Journal los astrónomos G. Fritz Benedict y Barbara E. McArthur del Observatorio McDonald de la universidad de Texas, George Gatewood del Observatorio Allegheny de la universidad de Pittsburgh, y varios colaboradores más, dicen que han encontrado el método: astrometría, la medición precisa de la localización de una estrella en el cielo durante largos periodos de tiempo. Usando este método, escriben, han intentado determinar si la inclinación del planeta de Epsilon Eridani es la misma que la inclinación del disco protoplanetario que hay alrededor de la estrella. Esto querría decir que el planeta está orbitando en el interior del disco de gas y polvo que envuelve a la estrella.

Agrandar El planeta orbitando a Epsilon Eridani El planeta gaseoso gigante que orbita a Epsilon Eridani se mueve en el plano del disco protoplanetario que rodea a la estrella. Créditos: NASA, ESA, G. Bacon (STSci)

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Epsilon Eridani es, en algunos aspectos, muy parecida a nuestro Sol. A sólo 10.5 años luz está, prácticamente, en nuestro patio trasero galáctico, y su masa es aproximadamente un 83% de la del Sol. La principal diferencia entre los dos es su edad: mientras que el Sol ha alcanzado su madurez con 4500 millones de años, Epsilos Eridani es una vigorosa de 800 millones de años. Debido a su juventud, Epsilon Eridani todavía está rodeada por un disco de gas y polvo, mientras que nuestro Sol perdió su disco hace miles de millones de años. En cualquier caso, de acuerdo con los modelos vigentes, Epsilon Eridani tiene la edad suficientemente como para que de su disco hayan nacido compañeros planetarios y, por lo tanto, no fue una sorpresa el descubrir en 2000 que un planeta estuviese orbitando a la estrella.

Tal y como mostraron las mediciones espectroscópicas, el planeta es un gigante gaseoso, como Júpiter, que orbita a su estrella una vez cada siete años, aproximadamente. Un periodo tan largo significaba que Benedict y sus colegas tendrían que observar los datos de muchos años para establecer el movimiento regular de la estrella y, en consecuencia, la inclinación orbital del planeta.

La esencia de sus datos consistía en tres años de mediciones astrométricas extremadamente precisas de la posición de Epsilon Eridani llevadas a cabo por el telescopio espacial Hubble, desde 2001 hasta 2003. Mientras que esto podría sonar a mucho, Benedict se dio cuenta de que tener sólo los datos correspondientes a tres años de una órbita de siete años resultaba “un poco problemático”. Así que los autores buscaron más información, la cual a pesar de no ser tan precisa como las mediciones del Hubble, había sido realizadas durante un periodo de tiempo mayor: 14 años de mediciones astrométricas de Epsilon Eridani hasta 1988, obtenidas por el Fotómetro Multicanal Astrométrico en el observatorio Allegheny de la universidad de Pittsburgh. A estas añadieron mediciones espectroscópicas de un periodo de 25 años, las cuales abarcaban con seguridad el movimiento periódico de la estrella.

Con una base de observaciones astrométricas y espectroscópicas de esta magnitud, Benedict y sus colegas pudieron seguir la pista de los movimientos periódicos reales de Epsilon Eridani durante la traslación de su planeta. Primero concluyeron que el planeta era real, y que su verdadero periodo orbital era de 6.85 años. Esto no es tan evidente por si mismo como parece, explicó Benedict, porque a veces fenómenos superficiales en una estrella pueden enmascarar los los efectos espectrográficos de un planeta en órbita. Esto es particularmente cierto en el caso de una estrella jóven y volátil como Epsilon Eridani, y el peligro está siempre presente cuando tratamos con un planeta de periodo largo, en el que los datos cubre únicamente una parte de una única órbita. Como resultado, a pesar de que muchos astrónomos aceptaron la realidad del planeta de Epsilon Eridani, otros sin embargo tuvieron sus dudas.

Agrandar La inclinación de Epsilon Eridani La inclinación de la órbita del planeta que orbita a la estrella Epsilon Eridani es la misma que la inclinación del disco de gas y polvo que rodea a la estrella. Esto sugiere que el planeta está orbitando en el disco protoplanetario en el que se formó. Créditos: NASA, ESA, A. Feild (STSci)

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Entonces los autores observaron que la inclinación orbital del planeta, visto desde La Tierra, era destacable – 30 grados. Este resultado es importante para calcular la masa del planeta, porque pone de manifiesto qué componente de su movimiento real es visto desde La Tierra como la oscilación de la estrella “adelante y atrás” detectable en mediciones espectroscópicas. En este caso, la masa del planeta resultó ser 1.55 veces la de Júpiter, lo que entra dentro del rango de masas planetarias.

Pero la inclinación de 30 grados es importante por otra razón: se aproxima mucho a la inclinación conocida del disco protoplanetario que rodea a Epsilon Eridani. Y esto significa que el planeta gigante de tipo Júpiter conocido como Epsilon Eridani_b es muy probablemente el primer planeta detectado que orbita en la nube de gas y polvo a partir de la cual se formó.

Nuestro mundo era un lugar muy distinto cuando Kant y Laplace especularon acerca de los orígenes y del nacimiento de planetas, y desde entonces nuestro conocimiento de sistemas planetarios y del universo en conjunto ha sido transformado y rehecho varias veces. Cabe destacar, a pesar de todo, que la teoría de la formación de planetas propuesta por estos dos alumnos ilustrados se ha mantenido y ha prosperado prácticamente sin cambios, mostrándose siempre más convincente y todavía esperando una prueba concluyente. Han sido necesarios más de dos siglos, pero el momento ha llegado: Con Epsilon Eridani_b estamos, por fin, observando un joven planeta moviéndose a través de la nube de gas y polvo de la cual nació.