Cuando Galileo Galilei en 1610 apuntó con su telescopio al cielo descubrió un nuevo universo. Satélites en Júpiter, montañas en la Luna, manchas en el Sol, las fases de Venus, etc. Fueron necesarios 300 años y una segunda guerra mundial con el invento del radar para que el primer radiotelescopio apuntara al cielo. En 1933 Karl Jansky publico en la revista Nature un articulo denominado “Radio Waves from Outside the Solar System” donde indicaba que había descubierto señales de ondas de radio procedentes del centro de nuestra galaxia. Este articulo habría camino a una nueva ciencia, la radioastronomia. En 1937 el ingeniero estadounidense Grote Reber construyó el primer radiotelescopio en el patio de su casa como curiosidad al articulo de Karl Jansky sobre señales de radio procedentes de fuera nuestro sistema solar.
Con el auge de la radioastronomía, hace unas décadas surgió una nueva ciencia, la búsqueda de exoplanetas, es decir, planetas fuera del sistema solar. El primer planeta que se encontró orbitando una estrella parecida al Sol fue en diciembre de 1995, situado a 50 años luz y bautizado con el nombre 51 Pegasi b. El planeta es la mitad de masivo que Jupiter pero con un período orbital de 4 días, situándolo más cerca de la estrella que Mercurio con sus 88 días de período orbital. Como un planeta tan masivo pudo formarse tan cerca de su estrella es una contradicción según la teoría actual sobre formación de sistemas planetarios. En ese momento pareció que debía ser una caso aparte o muy raro. Pero cuanto más exoplanetas aparecían, los casos raros se hacían cada vez más normales. En 2009 se puso en funcionamiento el observatorio espacial Kepler para la detección de planetas extrasolares. Descubrió más de 2740 posibles mundos fuera del sistema solar, donde se confirmaron 115 como planetas utilizando el seguimiento mediante telescopios situados en la Tierra. La avalancha de estos nuevos descubrimientos en lugar de poner orden, añadió más confusión. Kepler encontró que el tamaño de la mayoría de los planetas descubiertos se encontraba entre las dimensiones de la Tierra y Neptuno, lo que se conoce como SuperTierra. Por otra parte se descubrieron planetas gigantes mucho mayores que Jupiter orbitando su estrella a una distancia el doble que la distancia de Neptuno al Sol, una región donde no parecía que pudieran existir estos planetas.
La diferencia entre los resultados observados y la teoría cada vez era mayor, aparecían cada vez más planetas en lugares insospechados. Esto indicaba que la teoría sobre la formación de sistemas planetarios tendría que incluir aspectos inéditos hasta entonces.
Teoría básica sobre la formación del Sistema Solar
El modelo tradicional sobre la formación de sistemas planetarios se basa en el único sistema conocido hasta ahora, el Sistema Solar. Observamos la existencia de planetas pequeños y rocosos como Mercurio, Venus, Tierra y Marte situados cerca del Sol. Y los planetas gigantes, también denominados planetas gaseosos, como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno situados lejos del Sol.
De esta manera surgió el modelo de la nube primigenia de gas y polvo interestelar en rotación, que colapsa bajo el efecto de su propia gravedad. La mayoría del material se condensa en el centro formando una gran bola que se convierte en una estrella cuando su núcleo alcanza la densidad y calor suficiente para empezar las reacciones termonucleares. Cuando la estrella comienza a brillar, el viento estelar arrastra el gas y partículas radialmente hacia el exterior. De esta manera cerca de la nueva estrella quedan situados los materiales más densos y hacia al exterior los menos densos, como el hidrógeno y el helio.
Hay que tener en cuenta que los efectos de la gravedad actúan siempre y dada la rotación del sistema protoplanetario aparece un momento angular. A causa de la gravedad y el momento angular, el gas y polvo sobrante se reúnen alrededor de la estrella recién creada formando un disco plano. Las pequeñas partículas que forman el polvo se van juntando bajo el efecto de la gravedad formando rocas cada vez más grandes, mientras van girando. Finalmente terminaran creando el disco planetario. La interacción entre estas rocas originará los planetas después de millones de años.
Dado que los materiales más densos se encuentran cerca del Sol, los planetas que se forman en la región cercana al Sol (los planetas interiores) son más pequeños, densos y rocosos. En esta región la mayor parte del gas se ha eliminado, sea porque ha sido devorado por la estrella o arrastrado por el viento estelar. De esta manera los planetas interiores contienen atmósferas tenues y delgadas. Así por ejemplo en la atmósfera de la Tierra no existe ni hidrógeno ni helio.
En la zona exterior del disco protoplanetario la radiación solar es más débil y el ambiente frío congela el agua. De esta manera junto al polvo y gas se forma hielo que ayuda a aumentar la consolidación de los impactos y por tanto permitiendo que los protoplanetas se formen más rápidamente. Por esta razón los núcleos protoplanetarios en esta región exterior son de cinco a diez veces la masa de la Tierra. El gas expulsado por la estrella que se encuentra en esta región exterior se ve afectado por la gravedad de estos núcleos protoplanetarios y forma una espesa atmósfera produciendo un planeta gigante y gaseoso como Júpiter.
A partir de estas condiciones se produce un sistema planetario como el sistema solar. Planetas pequeños y rocosos con atmósferas delgadas en la parte interna y planetas gigantes y gaseosos en la parte externa, a distancias mayores los otros planetas gigantes serán más pequeños porque se mueven más lentamente a través de sus órbitas y capturan menos material gaseoso. Finalmente el sistema queda ordenado en esta configuración y de forma estable mediante órbitas circulares o elípticas en el mismo plano.
Planetas orbitando Enanas Rojas
Otro detalle importante a tener en cuenta es que la mayoría de las estrellas de la Galaxia son enanas rojas. Representan un tipo de estrellas pequeñas y frías y constituyen el 70% de las estrellas de la Galaxia. Su masa se encuentra entre el 0,1 y 0,6 de la Masa Solar y dado que son muy frías su luminosidad es tan baja que no pueden observarse a simple vista, Proxima Centauri, la estrella más cercana al Sol, es una enana roja y no puede observarse sin un telescopio. La luminosidad típica de una enana roja esta comprendida entre un 3% y un 0,01% de la Solar. Por esta razón cualquier planeta habitable cerca de una enana roja tendría que situarse muy cerca de su estrella para adquirir un temperatura similar a la Tierra.
Puesto que las enanas rojas son estrellas pequeñas de poca masa comparadas con el Sol tendrían que haberse formado en nubes protoestelares de poca masa. Por este motivo no podrían tener planetas gigantes ya que no se podrían formar núcleos rocosos grandes para capturar el gas.
Es en estas circunstancias donde aparece GJ3512b, un planeta gigante parecido a Júpiter orbitando una pequeña estrella enana roja.
GJ3512b
El telescopio Kepler analizaba el brillo de una estrella para detectar la variación producida por el transito de un planeta entre la estrella y el telescopio y así detectar la presencia de un planeta de forma directa. Este método tiene el inconveniente que solamente pueden detectarse sistemas planetarios que se encuentren en linea directa entre el planeta y el telescopio que lo observa.
Existe otro método de observación indirecta, mediante el efecto Doppler. Utiliza la técnica de detectar las pequeñas oscilaciones en el movimiento de las estrellas producido por la atracción gravitatoria de los planetas que orbitan a su alrededor. Es un método ideal para detectar planetas en las enanas rojas dado que su brillo es muy tenue.
El sistema estelar de la enana roja GJ3512 se encuentra a unos 31 años luz de la Tierra y esta formado por la estrella, un planeta gaseoso GJ3512b y según parece otro planeta gaseoso GJ3512c. En la siguiente imagen se representa el Sistema Estelar GJ3512 respecto el Solar.
El descubrimiento de GJ3512b es destacable porque representa la existencia de un planeta gigante orbitando una estrella muy pequeña a una distancia mas bien cercana. Con una órbita cuya excentricidad es de 0.4356 y con un período de 203,59 días, permanece la mayor parte de su tiempo más cerca de su estrella enana roja que Mercurio del Sol, como se puede comprobar en la imagen anterior.
Sin embargo hay que tener en cuenta que la enana roja emite una energía menor del 2% de la Solar, así que el calor que recibe el planeta gaseoso es menor de la que recibe Jupiter procedente del Sol. La temperatura en la zona de GJ3512b es de 150 K (-123 ºC). En la Tierra es de 283 K (10 ºC). Recordemos que en el espacio interestelar es de unos 3 K (-270 ºC).
Observamos que la masa de GJ3512b es 0.46 la masa de Júpiter y forma una órbita excéntrica, estos datos son los que aportan una contradicción a lo que conocíamos como la teoría de la formación planetaria. La primera contradicción reside en entender como un planeta gigante se ha formado cerca de una estrella pequeña, donde no existe suficiente masa para formar el planeta, pero existe. La segunda contradicción consiste en la excentricidad de la órbita, si solamente se ha formado un planeta en torno a la enana roja su órbita tendría que ser circular, casi sin excentricidad. La presencia de una órbita elíptica indica la presencia de una fuerza gravitatoria de otro planeta que se esta buscando, GJ3512c. Así que se habrían formado otros planetas conjuntamente, se cree que fueron tres y uno de ellos fue lanzado fuera del sistema y solo quedan dos, pero solo se ha observado uno.
La explicación sobre su formación pasa por reconsiderar la inestabilidad del gas del disco protoplanetario en sus orígenes, cuando el disco aun continua una gran cantidad de masa respecto a su estrella.
Si como hemos visto la presencia de planetas orbitando enanas rojas amplia nuestra comprensión y desconcierto sobre la formación de sistemas planetarios, más desconcertante es la aparición de sistemas en enanas blancas.
Planetas orbitando Enanas Blancas
Otro aspecto novedoso es el descubrimiento de otro planeta gigante similar a Júpiter orbitando una estrella enana blanca, situada a 1200 años luz de la Tierra.
Para entender que es una estrella enana blanca, veamos que es el Sol. Actualmente el Sol es una estrella que se encuentra en la secuencia principal del diagrama Hertzprung-Rusell.
El Sol es considerada una enana amarilla de tipo espectral G2 y clase de luminosidad V. Se formo hace unos 4570 millones de años y permanecerá en la secuencia principal durante 5000 millones de años más. Esto significa que continuara quemando, mediante reacciones de fusión termonuclear, 700 millones de toneladas de hidrógeno por segundo en su núcleo, convirtiéndolo en helio y energía. Cuando todo el hidrógeno del núcleo se halla convertido en helio la reacción termonuclear disminuirá y en consecuencia disminuirá la presión en el núcleo Solar. Al disminuir la presión en el núcleo, este no podrá soportar el peso de las capas superiores y la gravedad de la masa de estas capas superiores hará que el Sol implosione por contracción gravitatoria. Esto se producirá de forma rápida, de manera que esta contracción súbita tendrá como consecuencia un aumento del calor, que podemos entender por el choque entre las partículas de estas capas ante la disminución del volumen. El calor se liberara hacia fuera, calentando las capas exteriores que se expandirán y enfriaran al mismo tiempo. Entonces el Sol se convertirá en una gigante roja, expandiéndose unas 200 veces su tamaño, que llegara a sobrepasar la órbita de la Tierra.
Sin embargo el Sol continuara con las reacciones termonucleares, pero esta vez el combustible nuclear será el helio. Que se quemara convirtiéndose en elementos más pesados hasta formar carbono y oxigeno. Pero el Sol no tiene suficiente masa para crear reacciones termonucleares con el carbono. Así que, agotado el helio el Sol volverá a expandirse, expulsando gran parte de su masa y formara una nebulosa planetaria, quedando en su centro una enana blanca. Su masa será la mitad de la actual masa solar pero del tamaño de la Tierra. Esto significa que las enanas blancas son muy densas pues tienen una gran masa en un pequeño volumen.
Vean como se forman las enanas blancas en otro post: Breve historia de los agujeros negros
Que ocurrirá entonces a los planetas exteriores como Júpiter al perder la mitad de la masa Solar, la fuerza de la gravedad disminuirá la mitad. Entonces Júpiter y los planetas que queden aumentaran el radio de su órbita alejándose de lo que queda del Sol. Como afectara a la evolución del sistema planetario puede estudiarse observando a otros sistemas planetarios actuales que orbitan enanas blancas.
Hace poco se descubrió que ha 400 años luz un pequeño planeta del tamaño del asteroide Ceres, con un radio de 400 km gira en torno a una enana blanca. Lo hace a una distancia muy cercana, dado que completa una órbita cada dos horas. La gravedad de la enana blanca es 100.000 veces la de la Tierra, esto significa que el planeta es muy denso para que no sea destruido por las fuerzas de marea. Así pues estará formado por hierro y níquel, precisamente el material que están formados los núcleos de los planetas terrestres.
Recientemente se ha descubierto que ha 1200 años luz un planeta gigante gira en torno a una enana blanca con un período orbital de 10 días, sorprendentemente muy cercana a la estrella. Esto indica que la presencia de otros planetas influyeron en su migración hacia el interior del sistema estelar. Quizá otro planeta fue absorbido en la explosión de la estrella, causando un efecto de empuje gravitatorio hacia dentro.
Esto puede suceder al sistema solar cuando el Sol engulla a Mercurio, Venus y la Tierra. Marte se librara pero el efecto de los planetas gigantes pueden ejercer una fuerza gravitacional y llevarlo a una órbita más cercan a la enana blanca.
Con todos estos recientes conocimientos a partir de las observaciones sobre los actuales sistemas planetarios aparece una nueva cosmovisión. Los planetas son mucho más numerosos de lo que creíamos hace poco y además con una gran variabilidad. Y si es cierto que actualmente el sistema solar se mantiene en equilibrio, la evolución estelar lo llevara a un desequilibrio “momentaneo” para alcanzar otro punto de equilibrio impensable, pero lo cierto es que existen actualmente en la Galaxia planetas orbitando enanas rojas y enanas blancas que han alcanzado este nuevo punto de equilibrio. Su estudio y observación nos indicara como será el futuro del sistema estelar en el que vivimos actualmente.
Pero…y la vida
No querría terminar este post sin diferenciar entre encontrar exoplanetas y encontrar vida en ellos, sobretodo en estos nuevos planetas en torno de enanas rojas y blancas. Como hemos visto estos planetas orbitan muy cerca de su estrella y su período orbital es muy corto. Para la vida es adecuado que orbiten cerca, pues son estrellas que generan poco calor y cuanto más cerca más calor, pero se produce un efecto secundario. Al estar tan cerca, de la estrella al igual que la Luna con la Tierra, presentan siempre la misma cara hacia su Sol.
El hemisferio encarado a la enana roja o blanca estará abrasado, totalmente quemado y con una gran radiación. El otro hemisferio estará permanentemente a oscuras y por tanto congelado. Claro que quizá pueda existir una zona intermedia donde la vida se habrá paso, si existe una atmósfera que pueda soportar estos gradientes térmicos claro esta.
Pero hay que tener en cuenta ademas que si es un planeta muy pequeño toda su atmósfera habrá desaparecido y la vida con ella. Si es un planeta gigante su atmósfera será rica en hidrogeno y por tanto la temperatura y presión aumentaran enormemente. Alcanzando una presión 1000 veces la de la Tierra y una temperatura de 5000 ºC. Imposible la formación o supervivencia de moléculas de ADN en estas condiciones. Por supuesto que puede existir vida alienígena de carácter muy diferente al nuestro, pero la química nos dice que no pueden formarse moléculas complejas orgánicas en estas condiciones de elevada presión, temperatura y radiación.
Así que de momento solo existe vida en la Tierra….vida inteligente esto ya es otra cosa.
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