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Historia de la exoplanetologia

William Herschel

Los exoplanetas son esos mundos,habitables o no, cuya existencia conocemos desde finales del siglo pasado y que,creemos,nos permitirán probar finalmente si la vida es algo universal o exclusivo de nuestro planeta. Durante los últimos años se han producido importantes avances en el estudio de nuestros vecinos en el sistema solar y ha cambiado nuestra comprensión de su formación y habitabilidad. Pero fue el descubrimiento del primer planeta extrasolar en 1995 lo que abrió el estudio de nuevos mundos.

La búsqueda de estos mundos, de planetas mas allá del sistema solar , constituye uno de los retos mas apasionantes de la astronomía actual, pues trata de dar respuestas a preguntas que se vienen planteando desde el principio de los tiempos.

Esta búsqueda empezó hace mucho tiempo, antes de ser conscientes de los retos científicos y tecnológicos a los que teníamos que enfrentarnos iban a ser enormes. Se han necesitado siglos para poder desarrollar los medios necesarios para estudiar los planetas extrasolares. Pero ponerse a buscar exoplanetas requiere primero, creer en su existencia.

Las primeras civilizaciones pensaban que el Universo se reducía a la porción de Tierra sobre la que vivían, con las estrellas, los planetas, la Luna y el Sol girando a su alrededor, Dioses malévolos o benévolos controlaban el mundo. Sin embargo, la posibilidad de que existieran otros mundos, surgió muy pronto en la historia y ha sido discutida a lo largo de los siglos basándose, eso si, en creencias de tipo religioso o discusiones filosóficas.

Los filósofos griegos comenzaron este largo camino, mediante la combinación de un pensamiento lógico con las evidencias proporcionadas por los sentidos,para plantear explicaciones mas o menos racionales. A diferencia de otras culturas, para los griegos, los conceptos y las ideas no eran propiedad del poder político, sino fruto de la discusión entre ciudadanos, Socrates (470-399 ac) representa el inicio de esta forma de pensar.

Anaximandro

Aunque se le atribuye a Anaximandro (611-545 a.c) la primera referencia a la existencia de una pluralidad de mundos en evolución, con la Tierra en su centro.

Pero ¿ es la Tierra un caso especial?¿es el único mundo posible?. La discusión sobre la naturaleza misma del Universo, su forma y contenido, también formo parte de las discusiones del mundo griego, donde se considero la posibilidad de que fuera infinito. En un Universo infinito la probabilidad de que existan otras Tierras, es por lo tanto infinita.

Democrito (460-370 a.c) ,siguiendo las ideas de Leucipo, propuso una teoría atomista, no haciendo diferencia entre la naturaleza de la Tierra y el Cosmos, propuso que todo estaba formado por átomos, físicamente indivisibles e infinitos en numero. Aunque estos átomos a los que se referia Democrito, no tienen nada que ver con nuestro concepto actual de la física de partículas, el infinito numero de combinaciones posibles le llevo a escribir: “...hay muchos mundos, unos crecen, otros decaen; algunos tienen un sol o una luna y otros tienen varias”.

Epicuro (341-270 a.c) desarrollo estas ideas, concluyendo que el presente estado de la naturaleza es resultado de un largo proceso evolutivo y que la vida debe existir por todo el Universo, “..los átomos que son infinitos en numero, nacen en las profundidades del espacio. Por lo tanto no existe ningún obstáculo para la existencia de un numero infinito de mundos....con plantas y seres vivos, algunos de ellos parecidos y otros diferentes del nuestro...”

En contra de las ideas de Epicuro, y dentro de la concepción pitagórica de que la tierra y el cielo están sujetos a diferentes leyes naturales, Aristoteles (384-322 a.c) afirmo rotundamente: “no puede haber mas que un mundo, el nuestro”. Las ideas heliocéntricas, es decir, que la tierra gira alrededor del Sol en lugar de al reves, como consideraban las teorías geocentricas apoyadas por Aristoteles, serian esenciales para entender que nuestro planeta no se encuentra en un lugar privilegiado del Universo y aceptar que podian, por lo tanto existir otros mundos similares.

Aristarco de Samos

Aristarco de Samos (320-250 a.c) midiendo las distancias y tamaños relativos del Sol y la Luna respecto a la Tierra, con un uso ingenioso de la trigonometria, dedujo que el Sol era, con diferencia, el mayor de los tres cuerpos. Parecía lógico pensar entonces que el resto giraba a su alrededor y propuso un sistema heliocéntrico.

Eratostenes (276-196 a.c) midió con bastante precisión el tamaño de la Tierra y pudo hacer una primera estimación de la distancia que hay entre ella y la Luna. El tamaño de la esfera terrestre, 250,000 estadios de circunferencia, en buen acuerdo con lo que sabemos hoy.

Hiparco (190-120 a.c) hizo mapas estelares precisos, y con ellos pudo medir el desplazamiento en el cielo de los planetas conocidos, o “estrellas errantes” respecto a las estrellas fijas. Hiparco, ademas, pudo determinar la distancia a la Luna mediante la medida de paralaje, es decir, mediante trigonometria básica.

Pensadores romanos como Lucrecio (99-55 a.c) retomaron las ideas de Democrito sobre la existencia de una pluralidad de mundos diferentes:”si la misma fuerza, la misma naturaleza, permite juntar en cualquier lugar estos elementos de la misma manera en que lo han sido en nuestro mundo, hay que aceptar que haya en otras regiones del espacio, otras tierras, con diferentes razas de hombres y otras especies.”

Alejandro Magno, alumno de Aristoteles, en su expansión del mundo helénico, fundo en Egipto la ciudad de Alejandria, que se convirtió en referencia esencial de la cultura de la época. Allí se disponía de un archivo de todo el conocimiento antiguo en una gran biblioteca y Ptolomeo (87-170) escribió un tratado de Astronomía, integrando trabajos de Hiparco y Aristoteles en el modelo geocentrico. Este libro en su traducción árabe, recibió el nombre de Almagesto

Hipatia de Alejandria

Hipatia de Alejandria (355-415), ya desaparecida la gran biblioteca, anoto algunas inexactitudes a dicho libro y perfecciono los cálculos cambiando el uso del año trópico, por el año sidéreo.

En el comienzo de la alta de Edad Media, los “años oscuros”, algunos pensadores trataron de preservar el saber antiguo y conciliar el conocimiento del mundo con la fe. La pluralidad de los mundos no presentaba mas que dificultades teológicas, aun así algunas mentes abiertas como Tomas de Aquino (1225-1247) o Alberto Magno (1192-1280), se plantearon en algún momento la existencia de otros mundos, incluso habitados. Alberto magno escribió: “El concepto de la pluralidad de los mundos representa una de las cuestiones mas nobles y maravillosas de la Naturaleza”.

Roger Bacon (1241-1294) fue quien puso un énfasis especial en la ciencia experimental, lo que llevaría mas tarde al moderno método científico, aunque, eso si rechazaba la existencia de otros mundos en base a razonamientos lógicos. Algunos miembros de la jerarquía eclesiástica, como el obispo de Paris Etienne Tempier, llego a decir que rechazar la existencia de otros mundos, habitados o no, era tanto como aceptar que el poder de Dios es limitado. Sin embargo estas ideas eran limitadas en una etapa defensiva de la religión a finales de la la baja Edad Media.

Nicolas de Cusa (1401-1464) marcaría un cambio de tendencia, retomando las ideas griegas sobre la pluralidad de los mundos y un Universo infinito.

Sin embargo, gracias a las observaciones de astrónomos árabes. Como los trabajos de Azarquiel (1029-1100) en al-Andalus permitieron establecer las llamadas tablas Alfonsianas para la predicción de los movimientos de las estrellas, y desde observatorios como el de Ulugh Beg en Samarcanda, se hicieron medidas que permitieron revisar los trabajos de Ptolomeo.

Maimonides

Un cordobés, el judío Maimonides menciona en su obra “Guia de perplejos”, la posibilidad de la existencia de otros mundos, aunque en general esa idea no tenia mucho apoyo.

Un aspecto importante de la ciencia árabe fue la traducción y transferencia del conocimiento griego de vuelta a Europa durante los siglos XI y XII, gracias a ellos y al cambio en de actitud en la sociedad europea, pronto cambiarían las ideas acerca del Cosmos.

A lo largo del siglo XV se entra en la era de la navegación y los descubrimientos, se encuentran

nuevas tierras y se hallan pueblos y culturas diferentes, se desarrolla la tecnología e instrumentos para llevar a cabo esas exploraciones y las mentes comienzan a abrirse a nuevos conceptos.

El modelo heliocéntrico del sistema solar propuesto por Copernico (1453-1543), con el Sol en el centro y no la Tierra, marcaría el cambio en el siglo XVI. Si la Tierra no era mas que un planeta que giraba alrededor del Sol,¿por que los demás planetas no podían ser parecidos a ella? De nuevo volvieron las ideas de Democrito acerca de la pluralidad de los mundos y se abrió paso el pensamiento de que las estrellas son cuerpos celestes similares al Sol, posiblemente con planetas a su alrededor.

Estos planteamientos fueron defendidos por Giordano Bruno (1548-1600), quien en el año 1584 llego a escribir de forma premonitoria:”Existen innumerables soles e innumerables tierras, todas ellas rotando en torno a sus soles en la misma forma que lo hacen los siete planetas de nuestro sistema. Solo vemos los soles, porque son los cuerpos mas grandes y mas luminosos. Los innumerables mundos en el Universo no son peores ni están mas deshabitados que nuestra Tierra. Lamentablemente el apoyo de Bruno a las ideas heliocéntricas era demasiado para la jerarquía eclesiástica y termino quemado en la hoguera,en Roma el 17 de febrero de 1600.

Galileo

Galileo (1564-1642) fue el primero en utilizar un telescopio para observar el cielo al inicio del siglo XVII y descubrió los cuatro satélites de Jupietr, como si formaran un pequeño sistema solar. Estos trabajos como los de Brahe y Kepler, rompían con las ideas de Aristotelesy sustentaban de forma evidente la concepción heliocéntrica del Universo.

A diferencia de Giordano Bruno, Galileo había seguido un planteamiento lógico intachable y no podía ser acusado fácilmente. Aun así, también levanto sospechas en la Iglesia y aunque acepto retractarse de las ideas, tuvo que permanecer recluido durante años. Galileo había llevado a cabo sus trabajos sobre física y astronomía siguiendo un nuevo método basado en la hipótesis mediante la observación y el experimento, por ello se le considera el padre de la fisica moderna.

Las leyes de Kepler permitían calcular con precisión el tamaño de sistema solar y revisar las antiguas observaciones de Aristarco, gracias a la relación existente entre los periodos y las distancias.

La técnica de paralaje es la medida de la diferencia angular de la posición de un astro respecto a las estrellas lejanas en el cielo, según el punto de observación utilizado sobre la superficie de la Tierra, y nos permite pos simple trigonometria, determinar a que distancia se encuentra.

Por otro lado, casi un año después de la muerte de Galileo, había nacido en Inglaterra Isaac Newton (1643-1727), quien en 1687 publico sus famosos “Principios Matemáticos de la Física” , estos trabajos abrieron una nueva época para la comprensión científica del Universo. Con estas nuevas leyes se explicaban los movimientos de los planetas alrededor del Sol y las órbitas de los satélites alrededor de sus planetas, también se explicaban las leyes empíricas encontradas por Kepler y la estructura heliocéntrica era la que mas se ajustaba a las leyes de la fisica.

Pronto tendría un impacto directo sobre los exoplanetas, ya que permitieron desarrollar las primeras ideas acerca de la formación del sistema solar.

Según la hipótesis nebular, el Sol y los planetas de formaron a partir de una nube de gas y polvo que se condensa mientras rota cada vez mas rápidamente. Debido a esta rotación la nube toma la forma aplanada de un disco a partir del cual crecen los planetas, alrededor de un núcleo que termina siendo la estrella central del sistema.

La composición estelar de la Vía Láctea, adelantada por Galileo a partir de sus observaciones telescópicas, tendría un desarrolla significativo de la mano de William Herschel (1738-1822) a finales del siglo XVIII. Entre otros trabajos , como el planeta Urano o la radiación infrarroja,

William Herschel

Herschel analizo las estrellas que conforman la Via Lactea y concluyo que esta no es otra cosa que la visión desde la perceptiva del sistema solar del conjunto de todas las estrellas. La Galaxia era algo parecido al esquema de la nebulosa primigenia del sistema solar, del disco protoplanetario, pero a una escala mucho mayos. El Sol se confirmaba como una estrella mas del conjunto.

El tamaño del Universo correspondía al de la Galaxia y para medirlo era necesario conocer a que distancia se encuentran las estrellas. Para ello la medida de paralaje se limitaba al tamaño de la Tierra, con lo cual, para medidas fuera de nuestro sistema solar limitaba la linea de base.

Las estrellas necesitaban un método mas preciso y el truco fue emplear como linea de base la órbita de la Tierra alrededor del Sol,es decir, unos 300 millones de kilómetros.

Los astrónomos intentaron medir así la distancia a las estrellas mas brillantes pero no consiguieron resultados positivos, por lo que concluyeron que las estrellas tenían que estar muy lejos. Sin embargo Friedrich Bessel (1784-1846) pudo finalmente medir la paralaje de la estrella 61 Cyg en 1838, encontrando que se hallaba a solo unos 11 años luz de la Tierra, o 3,5 pc.

Herschel también había llegado a ver, con los grandes telescopios diseñados y construidos por el mismo, nebulosas u objetos de forma extendida, claramente diferentes de las estrellas que aparecen como puntos luminosos. La discusión sobre si estos objetos eran o no de la Galxia se mantuvo durante mucho tiempo, pero en algunos de ellos Herschel pudo intuir la presencia de estrellas, por lo que pensó en la existencia de lo que se llamarían universos-isla, galaxias aisladas entre si, por enormes distancias y repletas de soles.

Visita de Einstein a la Facultad de Ciencias de la Universidad de Madrid

La humanidad no podía ser el único ser inteligente del Universo. Durante la visita de Einstein a España en 1929, el reconocido físico Blas Cabrera escribio: “Supuesta la existencia de otros astro en condiciones muy próximas a las terrestres, es necesario concluir la probabilidad de que se hallen habitados por seres inteligentes, de características no muy distintas del hombre. Va aquí implícita la aceptación del determinismo riguroso que es esencial a la física.”

Pero hasta la entrada del siglo XX no se pensó seriamente en la existencia real de los planetas extrasolares ni en como buscarlos. Por un lado los planetas son extremadamente poco luminosos, y por otro se encuentran demasiado cerca de su estrella central, mucho mas brillante. La diferencia de brillo entre el Sol y un planeta grande como Júpiter es del orden de ¡mil millones de veces! Incluso observando en el infrarrojo, donde la relación de luminosidades es mas favorable, la diferencia sigue siendo del orden de diez millones de veces.

A mediados de siglo, el astrónomo Piet van de Kamp anuncio la existencia de planetas alrededor de la estrella de Barnard, gracias a la medida de variaciones en su posición relativa, es decir, mediante el método astrometrico, que años antes permitió descubrir a la compañera invisible de Sirio por Chandrasekhar.

Los estudios de esta estrella durante mas de 25 años llevaron a van de Kamp a la detección de dos exoplanetas parecidos a Júpiter, con periodos de 12 a 26 años. Pero mas tarde, revisando las placas fotográficas utilizadas, se pudo comprobar que todo era resultado de errores instrumentales.

Peter van de Kamp

Aunque van de Kamp siguió defendiendo la existencia de los planetas hasta su ultimo trabajo en 1982, el método astrometrico fue abandonado por ser poco preciso en la detección de exoplanetas.

En 1952, el astrónomo Otto Struve (1897-1963) publico un articulo premonitorio en el que concluía que la mejor forma para descubrir planetas extrasolares seria similar a la observación de las estrellas binarias, es decir, determinando las masas mediante la técnica de las velocidades radiales, a traves del efecto Doppler, y los radios en la disminución de brillo fotométrico producida durante los tránsitos del planeta por delante de la estrella. Naturalmente, Struve sabia que la diferencia de tamaño, luminosidad y masa entre el planeta y la estrella convertía el proyecto en un reto tecnológico. Pero tambien apunto algo impensable, que los planetas podían estar mucho mas cerca de su estrella central que en el caso del sistema solar, aumentando así las probabilidades de detección. Indico, que si los periodos orbitales eran suficientemente cortos, del orden de días, tanto la medida de velocidades radiales como la de variaciones de luz producidas por tránsitos podrían ser detectables.

Si no podíamos ver el efecto de los planetas en el comportamiento de las estrellas, al menos seria interesante ver si existen discos protoplanetarios alrededor de las estrellas mas jóvenes, como los predichos por la hipótesis nebular de Kant y Laplace. Esto fue posible en el ultimo cuarto de siglo XX gracias al desarrollo de la astronomía infrarroja. En los años setenta se había observado que algunas estrellas emitían demasiada radiación en longitudes de onda mas allá del visible, y esta podría ser producida por la existencia de una capa de polvo a su alrededor. Pero en los años ochenta, cuando se empezaron a realizar medidas desde el espacio y se tuvo un mejor acceso a la region infrarroja del espectro electromagnético, la nitidez y claridad en las observaciones permitieron detectar rápidamente la existencia de discos de polvo y gas alrededor de algunas estrellas jovenes cercanas. Para ello se utilizaron corono-grafos, que enmascaran la estrella central.

En la actualidad conocemos numerosas estrellas con discos de polvo y gas a su alrededor, pero un calculo sencillo de la evolución de estos discos nos permite predecir que tienen una vida relativamente corta, de hecho la formación de los planetas puede ser la causa de esta rápida evolución, ya que vacían el disco del material existente en sus órbitas y la nube desaparece en poco tiempo.

Las prueba definitivas sobre la existencia de planetas fuera del sistema solar no se encontraron hasta muy a finales del siglo XX, con el descubrimiento en 1992 de tres planetas alrededor de una estrella de neutrones. Los radioastronomos Helwish y Bell habían descubierto los pulsares en los años setenta; estrellas de neutrones que forman tras la muerte de una estrella masiva, extremadamente densas, con un intenso campo magnético y que giran muy rápidamente. Los pulsares se hicieron famosos porque las variaciones periódicas de las señales recibidas se identificaron con señales de origen extraterrestre. El método consistía en medir de forma muy precisa las variaciones del tiempo de llegada de las señales emitidas por el pulsar en rotación, debido a su oscilación alrededor del centro de masas común con un cuerpo no visible.

A partir de entonces se buscaron nuevos candidatos para verificar la teoría y, en esa busqueda, Wolszcan y Frail, con el gran radiotelescopio de Arecibo (Puerto Rico), dieron en 1992 con el pulsar PSR 1257+12. El análisis de los datos confirmo que las variaciones de periodo de rotación del pulsar se explicaban con la presencia de un sistema múltiple, donde la estrella de neutrones estaba acompañada por dos planetas mayores que la Tierra y un tercero del tamaño de la Luna.

El ambiente que podemos esperar en esos planetas es oscuro y frio, todo ello bañado en un intenso campo magnético, nada parecido al sistema solar.

Durante los años noventa los astrónomos estaban embarcados en la búsqueda de objetos poco masivos, menores que el Sol. Se sabia que las estrellas mas frías, de tipo espectral M, tienen masas entre el 20% y la mitad de la masa del Sol, aunque se conocían muy pocos casos de este tipo, y aun menos con parámetros físicos bien determinados.

Los resultados confluyeron en 1995, un año decisivo para este campo de la astronomia. La búsqueda por el procedimiento de las compañeras visuales llevo al descubrimiento por parte del japones Nakajima y sus colaboradores de una estrella enana marrón junto a la estrellas de baja masa GJ229. El objeto encontrado era 20 veces mas masivo que Júpiter y estaba a una distancia de unas 40 UA de la estrella central.

Poco antes, en el cúmulo de la Pleyades, se había observado un cuerpo muy frio, denominado Teide-1 por el nombre del observatorio desde el que se hizo el descubrimiento, por parte del español Rebolo y sus colaboradores. Su caracterización dejo clara la pertenencia al mundo de las enanas marrones y la abundancia de litio permitió fijar su edad.

Los astrónomos Campbell y Walker habian mejorado desde 1979 la técnica de las velocidades radiales usando calibraciones estabilizadas con una celda de absorción, lo que les permitió alcanzar precisiones de unos 13 metros por segundo. De esta forma investigaron 26 estrellas de tipo solar durante los diez años siguientes, pero no descubrieron nada, aunque de echo, habían medido dos casos en los que mas tarde se encontraría planetas.

En 1994 se descubría otro exoplaneta alrededor de otro pulsar PSR1620-26, de unas dos veces y media la masa de Júpiter en un sistema triple. La estrella se encuentra en el cúmulo globular M4 y representa el sistema mas viejo en el que se ha encontrado un planeta.

Los dos astronomos suizos Didier Queloz y Michel Mayor.

A finales de 1995 los astro nomos del Observatorio de Ginebra, Michel Mayor y Didier Queloz, anunciaron el descubrimiento de un exoplaneta alrededor de la estrella tipo solar 51 Peg. Estaban empleando la técnica de velocidad radial para buscar objetos poco masivos, cuando detectaron un planeta de masa similar a Júpiter, orbitando en torno a una estrella parecida a nuestro Sol. La estrella, a una distancia de unos 48 años luz y con magnitud 5,5, se encuentra a medio camino entre Alfa y Beta de Pegaso. El periodo orbital no era del orden de años como cabria esperar, sino de días. Es como poner a Júpiter junto al Sol, mucho mas cerca que el propio Mercurio. Se había descubierto un “Júpiter Caliente” con una temperatura de unos 1000º.

En enero de 1996, los norteamericanos Geoffrey Marcy y Paul Butler confirmaban el hallazgo de 51 Peg y anunciaban el descubrimiento de dos nuevos planetas alrededor de las estrellas 70 Vir y 47 Uma, estas observaciones nos adentraron en una variedad de características físicas totalmente nuevas, los planetas estaban en efecto, muy proximos a su estrella central y muchos de ellos presentaban órbitas excéntricas y no circulares.

A partir de entonces se acelero la búsqueda de exoplanetas y se desarrollo el uso de distintos métodos para mejorar la precisión. En 1998 se descubrió el primer planeta alrededor de una enana roja, Gl 876, y al año siguiente el primer sistema planetario múltiple, con tres planetas parecidos a Júpiter en torno a la estrella Upsilon en la constelación de Andromeda.

Al terminar el año 2010 se habían detectado un total de 516 planetas, hoy son unos 1900 de unos 1205 sistemas planetarios confirmados y 4800 pendientes de confirmación mediante diferentes telescopios como Kepler,WASP o TrES.

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