En las últimas décadas, el número de planetas extrasolares que se han detectado y confirmado ha crecido exponencialmente. En la actualidad, la existencia de 3.778 exoplanetas se ha confirmado en 2.818 sistemas planetarios, con 2.737 candidatos adicionales en espera de confirmación. Con este volumen de planetas disponibles para el estudio, el enfoque de la investigación de exoplanetas ha comenzado a cambiar de la detección a la caracterización.
Por ejemplo, los científicos están cada vez más interesados en caracterizar las atmósferas de los exoplanetas para poder decir con confianza que tienen los ingredientes adecuados para la vida (es decir, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.). Desafortunadamente, esto es muy difícil usando los métodos actuales. Sin embargo, según un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de astrónomos, los instrumentos de próxima generación que dependen de imágenes directas cambiarán el juego.
El estudio, “Imágenes directas en luz reflejada: caracterización de exoplanetas templados más antiguos con telescopios de 30 m”, apareció recientemente en línea. El estudio fue dirigido por Michael Fitzgerald y Ben Mazin, un profesor asociado de astrofísica en la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) y la Cátedra Worster en Física Experimental en la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), respectivamente.
A ellos se unieron investigadores del Instituto de Investigación sobre Exoplanetas de la Universidad de Montreal (iREX), el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, los Observatorios Carnegie, el Observatorio Steward, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), California Instituto de Tecnología (Caltech), y múltiples universidades.
Como indican en su estudio, nuestras capacidades para caracterizar exoplanetas son actualmente limitadas. Por ejemplo, nuestros métodos actuales, los más utilizados son el método de tránsito y las mediciones de velocidad radial, han llevado a descubrir miles de planetas de período corto (planetas que orbitan cerca de sus soles con un período de aproximadamente 10 días). Sin embargo, la sensibilidad de estos métodos comienza a disminuir sustancialmente cuanto más se aleja el exoplaneta de su sol.
Además, los planetas de período largo también son en gran parte inaccesibles en lo que respecta a sus espectros. Este tipo de análisis implica medir la luz que pasa a través de la atmósfera de un planeta a medida que transita desde su estrella. Al medir sus espectros para determinar su composición, los científicos pueden caracterizar la atmósfera del exoplaneta y determinar si un planeta podría ser habitable.
Para abordar esto, el equipo sugiere que la detección directa (también conocida como imagen directa) será un método más efectivo para caracterizar las atmósferas de los exoplanetas. Como el Dr. Étienne Artigau, investigador iREX y coautor del estudio, explicó a Space Magazine por correo electrónico (traducido del francés)
"Ningún planeta detectado por ahora se ha encontrado en" luz reflejada ". Cuando vemos los planetas de nuestro sistema solar, es porque están iluminados por el Sol que podemos verlos. Del mismo modo, los planetas de las otras estrellas reflejan la luz y debe ser posible detectar esta luz con un telescopio suficientemente potente. La relación de flujo entre los planetas y su estrella es enorme, del orden de mil millones, en comparación con los planetas detectados por su emisión térmica, o esta razón es del orden de 1 millón ”.
En la actualidad, la imagen directa es el único medio para obtener espectros de exoplanetas que no transitan, especialmente aquellos que se encuentran a distancias intermedias y amplias de sus soles. En este caso, los astrónomos obtienen espectros de la luz reflejada de la atmósfera del exoplaneta para determinar su composición. Hasta el momento, solo se ha fotografiado directamente a un puñado de exoplanetas, todos ellos superjupiter autoluminosos que orbitaban sus estrellas anfitrionas a una distancia de cientos o miles de UA.
Estos planetas eran muy jóvenes y tenían temperaturas superiores a 500 ° C (932 ° F), lo que los convierte en una clase de planetas bastante rara. Como resultado, los astrónomos no tienen información sobre la diversidad de atmósferas de exoplanetas, especialmente cuando se trata de planetas rocosos más pequeños que tienen temperaturas más similares a las de la Tierra, donde las temperaturas superficiales promedian alrededor de 15 ° C (58.7 ° F).
Esto se debe al hecho de que los telescopios existentes simplemente no tienen la sensibilidad para obtener imágenes directas de planetas más pequeños que orbitan más cerca de las estrellas. Como determinaron en su estudio, la caracterización de las atmósferas de los planetas que están dentro de las 5 UA de sus estrellas (donde los estudios de velocidad radial han revelado muchos planetas) requeriría un telescopio con una apertura de 30 metros combinada con óptica adaptativa avanzada, un coronógrafo y conjunto de espectrómetros y generadores de imágenes.
"En resumen, ningún telescopio actual puede detectar estos planetas, incluso alrededor de las estrellas más cercanas a nosotros, pero hay muchas razones para creer que la próxima generación de telescopios con un diámetro de 30 my más podrán hacerlo", dijo. Artiqua "No es seguro que uno pueda detectar, inicialmente, planetas como la Tierra, pero al menos uno debería ser capaz de detectar planetas comparables a Urano y Neptuno, lo que ya sería un resultado excelente".
Dichas instalaciones de próxima generación e instrumentos de óptica adaptativa incluyen el Generador de imágenes de sistemas planetarios (PSI) en el Telescopio de treinta metros (TMT), que se propone construir en Mauna Kea, Hawai. Y está el instrumento GMagAO-X en el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT), que actualmente está en construcción en el Observatorio Las Campanas y está programado para completarse en 2025.
Como indicó Artigau, los estudios realizados con estos instrumentos de próxima generación permitirán a los astrónomos detectar y caracterizar una gama más amplia de planetas, así como también buscar posibles signos de vida (también conocidos como biosignaturas), como nunca antes:
“Esto nos permitirá estudiar directamente la luz proveniente de planetas un poco más grandes que la Tierra (y tal vez nos guste la Tierra si somos optimistas). Esta es una de nuestras mejores oportunidades para buscar firmas de vida en estos ambientes. Incluso si no encontramos una firma de vida, permitirá comprender clases enteras de planeta que vemos indirectamente (tránsitos, velocidad radial) pero de las cuales no sabemos nada ... La importancia de la imagen directa es que permite sondear directamente la atmósfera, e incluso la superficie, de estos planetas. La adición de un espectrógrafo de alta resolución también proporciona una idea de los vientos y la circulación global del viento, así como también sondear la presencia de diferentes moléculas ".
Por supuesto, todavía habrá límites a lo que los científicos pueden aprender usando el método de imagen directa, incluso con estos instrumentos y telescopios de próxima generación a su disposición. Pero las posibilidades y las implicaciones para la investigación de exoplanetas son inmensas. Para empezar, los astrónomos podrían tener una mejor idea de la demografía de los planetas rocosos más pequeños que orbitan dentro de las respectivas zonas habitables de sus estrellas.
"La detección de planetas 'potencialmente habitables' es seguramente el caso más emocionante aquí, pero es importante tener en cuenta que seguirá siendo bastante difícil incluso con el telescopio de 30 metros", dijo Artigua. "Cuando hacemos una predicción estadística, debería haber solo unos pocos (probablemente menos de 10) planetas terrestres que serán accesibles y tendrán una temperatura comparable a la nuestra".
Dentro de este rango de planetas, Artigau y sus colegas pueden imaginar una serie de escenarios interesantes. Por ejemplo, algunos pueden ser como Venus, donde las atmósferas densas y una órbita relativamente cercana dan como resultado un efecto invernadero desbocado. Otros pueden ser como Marte, donde el viento solar o las erupciones han eliminado las atmósferas de los planetas. Más allá de eso, puede haber planetas terrestres que ni siquiera podemos comenzar a imaginar.
"En resumen, los planetas habitables podrían tener más imaginación que nosotros", concluyó el Dr. Artiqau. "Esta diversidad de exoplanetas también implica que debemos tener cuidado cuando predecimos que será habitable".
"[La] conclusión es que podemos hacer cosas asombrosas en el estudio de exoplanetas desde el suelo con telescopios de 30 m, pero se necesita una inversión significativa en tecnología para prepararse para construir estos instrumentos para telescopios de 30 m", agregó Mazin.
El estudio fue posible gracias a la asistencia adicional proporcionada por el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y la Corporación de la Organización del Telescopio Gigante de Magallanes (GMTO).
