Exoplanetas, un cosmos lleno de vida

Muchas estrellas tienen algún planeta girando a su alrededor. Algunos reúnen ciertas características similares a la Tierra, lo que aumenta la probabilidad de encontrar vida en ellos. La pregunta clave ahora es si algún día la descubriremos.

Recreación artística que muestra cómo la atmósfera de un exoplaneta se evapora por la cercanía a su estrella.

Recreación artística que muestra cómo la atmósfera de un exoplaneta se evapora por la cercanía a su estrella.

Foto: NASA

Júpiter caliente

La ciencia ficción ha llenado el imaginario popular de referencias a mundos nuevos y sorprendentes: Arrakis, el planeta desértico; Pandora, la luna selvática; Tatooine, el planeta con dos soles; Gethen, Miller, Mustafar... Todos ellos están concebidos con mayor o menor base científica y recrean lugares fascinantes. Si hace unos años esto era dominio exclusivo de la fantasía, en las dos últimas décadas hemos experimentado una revolución que nos ha llevado a descubrir miles de nuevos planetas, muchos de ellos con características y propiedades que ni las mentes más creativas se habían atrevido a imaginar.

Exploradores del espacio

La búsqueda de exoplanetas, es decir, planetas que orbitan otros soles, tuvo un inicio fulgurante a mediados de los años noventa. En ese entonces, las técnicas de espectroscopia habían madurado lo suficiente para medir velocidades de estrellas con precisiones de unos pocos metros por segundo. Esto abrió la posibilidad de detectar planetas a su alrededor, que serían de otro modo invisibles por el efecto de deslumbramiento. Los planetas se descubren de forma indirecta gracias al llamado efecto Doppler y se manifiestan a través de cambios de velocidad periódicos de la estrella a causa del movimiento orbital. De este modo se determina la masa mínima del planeta, que es responsable de las variaciones de la velocidad radial.

La técnica de las velocidades radiales permite descubrir la existencia de planetas y tener una estimación de su masa, pero la información que se puede obtener es limitada. Por eso se necesitó otro salto cualitativo crucial, que se produjo con el hallazgo de exoplanetas con tránsito, como HD 209458 b, en 1999. Los tránsitos ocurren si la órbita del planeta está bien alineada con nuestra visual, de modo que el planeta cruza el disco de la estrella y esta disminuye ligeramente su brillo al ocultarse parte de su superficie. La existencia de tránsitos permite no solo descubrir planetas, sino medir su tamaño y, al combinarlo con las velocidades radiales, medir su masa y densidad. Con ello se pueden caracterizar las propiedades físicas del planeta y especular sobre su posible composición, ya sea un mundo denso de hierro y roca, un mundo rico en moléculas simples, como los gigantes helados del sistema solar, o un planeta de baja densidad y con gran abundancia de hidrógeno y helio.

Gracias a todos los experimentos y misiones, hoy conocemos unos 4.000 exoplanetas y más de 600 sistemas planetarios múltiples.

La revolución de la técnica de los tránsitos se inició con la misión europea CoRoT, siguió con la misión Kepler de la NASA y continúa ahora con la misión TESS, también de la NASA. Kepler descubrió miles de nuevos exoplanetas y produjo miles de candidatos adicionales pendientes de confirmación. Gracias a todos los experimentos y misiones, hoy conocemos unos 4.000 exoplanetas y más de 600 sistemas planetarios múltiples. Además, Kepler nos ha proporcionado una visión estadística precisa de la abundancia de sistemas planetarios en nuestro vecindario galáctico. Aproximadamente un 7% de estrellas parecidas a nuestro Sol tienen gigantes de tipo Júpiter, un 60% tienen planetas del tamaño de Neptuno y un 70% tienen planetas de tipo Tierra o Supertierra. En el caso de estrellas de menor masa que el Sol, la abundancia de planetas puede ser todavía más elevada, con dos planetas de media por estrella y con una alta frecuencia de sistemas planetarios múltiples.

Recreación de la posible superficie  de un exoplaneta potencialmente habitable de la estrella Próxima b.

Recreación de la posible superficie de un exoplaneta potencialmente habitable de la estrella Próxima b.

Foto: NASA

Por lo tanto, hoy sabemos que la existencia de exoplanetas es tremendamente común, de modo que la formación de un sistema planetario cuando nace una estrella es la norma y no la excepción. Si nuestra galaxia tiene entre 100.000 y 400.000 millones de estrellas, podemos esperar un número parecido de planetas. Nuestro universo rebosa planetas. Cuando se maravillen admirando un cielo estrellado, piensen que casi todas las estrellas que ven tienen alguno girando a su alrededor.

El extraño fenómeno de la vida

A medida que encontramos nuevos exoplanetas, la naturaleza nos obsequia con mundos que no dejan de sorprendernos. Por ejemplo, CoRoT-7 b, un planeta de roca con una temperatura superficial que ronda los 1.500 oC, probablemente surcado por ríos de lava. O K2-22 b, que se está literalmente evaporando y que deja un rastro tras de sí parecido a una cola de cometa. O Kepler-16 b, con un tamaño parecido a Saturno, que orbita un sistema binario de dos soles algo más fríos que el nuestro. O Kepler-70 b, cuyo año dura tan solo cinco horas y 45 minutos terrestres. O 55 Cnc e, el planeta rocoso que tiene un hemisferio donde es siempre de día y otro donde es noche eterna.

Nuestro sistema solar no es el paradigma de los sistemas planetarios, sino solo una instancia más de la enorme variedad de arquitecturas planetarias que existen en la galaxia.

En medio de este “zoo” de exoplanetas, una realidad emerge de forma inequívoca: nuestro sistema solar no es el paradigma de los sistemas planetarios, sino solo una instancia más de la enorme variedad de arquitecturas planetarias que existen en la galaxia. No es especial en ningún modo. Excepto, claro, por estar poblado por una especie, los humanos, que se esfuerzan por comprender el universo que los rodea. Esto, por el momento, sí lo hace único. Durante los años de investigación en exoplanetas, todavía no hemos encontrado ningún gemelo idéntico a la Tierra, pero sí nos hemos acercado mucho. Nos preguntamos qué sitios en el universo son adecuados para que la vida se origine y se desarrolle. Nuestro conocimiento sobre la vida es todavía muy limitado puesto que, al fin y al cabo, solamente tenemos un ejemplo.

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Condiciones para la vida

Como hipótesis de trabajo asumimos que para que un planeta sea habitable se debe cumplir que tenga una fuente de energía (una estrella o su propio calor interno), una cierta abundancia de átomos esenciales para la vida (C, N, O, P, etc.) y que exista agua en forma líquida. Si aplicamos estas condiciones a la superficie del planeta, ello permite definir la denominada zona habitable, que es el rango de distancias orbitales alrededor de una estrella donde un planeta tiene un clima estable y su temperatura permite que el agua esté en forma líquida, entre 0 ºC y 100 ºC.

Para definir un planeta habitable es esencial comprender qué regula su clima y en qué condiciones este clima es estable. No puede ser demasiado ligero porque su gravedad no será capaz de retener los elementos volátiles que componen su atmósfera y, por tanto, su agua. El límite inferior en masa se acostumbra a situar alrededor de la media masa terrestre. Y también es necesario que tenga una superficie y una atmósfera diferenciadas (donde se situará el agua líquida y, por tanto, una posible biosfera), y ello implica que su masa no puede ser superior a unas diez veces la terrestre.

Los planetas que crecen por encima de este límite acaban siendo de tipo gaseoso, sin una superficie diferenciada donde albergar agua en forma líquida.

El Telescopio Espacial Hubble sitúa su órbita a unos 540 kilómetros de la Tierra.

El Telescopio Espacial Hubble sitúa su órbita a unos 540 kilómetros de la Tierra.

Foto: NASA

Aprender de Próxima Centauri

En la intensa búsqueda de exoplanetas ya hemos hallado algunos que cumplen las condiciones para ser potencialmente habitables. Según las cuentas actuales, tenemos unos 50, pero el número varía dependiendo de lo estrictos que seamos con la definición de la zona habitable y con las condiciones necesarias para gozar de un clima estable. En agosto de 2016 se produjo un descubrimiento histórico. El equipo liderado por Guillem Anglada-Escudé anunció el descubrimiento del exoplaneta Próxima Centauri b, un mundo con una masa mínima 1,3 veces mayor que la Tierra que da vueltas alrededor de la estrella más cercana a nuestro sistema solar, una enana roja a tan solo 4,2 años luz de distancia. Además, la órbita de Próxima Centauri b lo sitúa dentro de la zona habitable de su estrella. Próxima Centauri b nos da la gran oportunidad de aprender sobre un exoplaneta potencialmente habitable desde un punto de vista inmejorable.

Dentro de unos años, nuevas tecnologías nos desvelarán más detalles sobre este mundo fascinante y podremos averiguar si su superficie está regada por ríos y océanos de agua líquida, o si se trata, por el contrario, de un paisaje desolado e inerte. Resulta apasionante pensar que a la vuelta de la esquina, en términos galácticos, tenemos un planeta que podría ser adecuado para la presencia de vida. No se trata de un golpe de suerte, sino que concuerda con las estimaciones de la abundancia de planetas en el caso de las estrellas de baja masa, como es Próxima Centauri. Es muy posible que todas estas estrellas pequeñas, las más numerosas de la galaxia, con un 70% del total, y que por lo tanto dominan el entorno del Sol, tengan uno o más planetas en órbita. Además, las estimaciones de Kepler indican que aproximadamente una de cuatro estrellas de baja masa tiene un exoplaneta de tipo terrestre en su zona de habitabilidad. Por tanto, puede haber más de diez exoplanetas habitables a menos de 15 años luz del nuestro.

Posiblemente... no estamos solos

El censo de planetas cercanos, y en particular aquellos que podrían ser habitables, es una mina para conocer mejor la arquitectura de sistemas planetarios, la formación de planetas y sus propiedades físicas. Pero también nos abre la puerta a dar el paso siguiente y averiguar si, además de ser habitables, estos planetas están habitados. ¿Qué circunstancias deben concurrir para que un exoplaneta que tiene las condiciones adecuadas desarrolle vida? No lo sabemos. Lo que sí conocemos es la experiencia de nuestro propio planeta. En nuestro hogar planetario observamos con sorpresa que en cualquier lugar donde existen unas mínimas condiciones, por duras que sean, la vida está presente. Ello nos lleva a pensar que tal vez la vida sea común en el universo. Pero no lo podemos afirmar todavía.

Allá donde se dan las condiciones, ¿cuál es la probabilidad de que aparezca vida de la nada? Quizá ocurre en un 100% de los casos, o quizás una vez en un trillón.

Falta el punto crucial: en un lugar donde se dan las condiciones, ¿cuál es la probabilidad de que aparezca vida de la nada? Tal vez ocurre en un 100% de casos, o quizás una vez en un trillón. Las consecuencias serán totalmente distintas. Tendremos la respuesta cuando empecemos a caracterizar los planetas habitables para saber si, en efecto, albergan vida, y conocer qué diferencias existen entre un planeta yermo y uno que tenga una biosfera. La hipótesis principal de trabajo es que un planeta con una biosfera activa tendrá una composición química atmosférica que se encuentra fuera del equilibrio químico. Esto significa que la abundancia de diversas moléculas no se puede explicar sin la presencia de una fuente que está relacionada por la vida. Desde hace una década se viene utilizando la espectroscopia de transmisión y de emisión para estudiar las atmósferas de exoplanetas. Por el momento solo la podemos aplicar a planetas muy calientes y de tipo gaseoso, pues son los que tienen atmósferas más extendidas y brillantes. Hay resultados para más de una veintena de planetas, y se han detectado moléculas y átomos tan variados como el vapor de agua, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el metano, el amoníaco, el óxido de titanio, el sodio y el potasio. Para ello ha sido necesario medir la luz con una precisión exquisita, de una parte por diez mil. El uso de estas técnicas en exoplanetas más pequeños y fríos, por ejemplo, habitables, es cuestión de tiempo, pero se requerirán precisiones de una parte por millón, o incluso mejores.

El telescopio MPG de 2,2 metros de diámetro se encuentra en el observatorio La Silla del European Southern Observatory, en el desierto de Atacama, Chile.

El telescopio MPG de 2,2 metros de diámetro se encuentra en el observatorio La Silla del European Southern Observatory, en el desierto de Atacama, Chile.

Foto: ESO

Los observadores espaciales del futuro

La misión James Webb Space Telecope (JWST), de la NASA y la ESA, sucesora del Telescopio Espacial Hubble, será lanzada en 2021. El JWST tiene la capacidad suficiente para observar planetas de tipo Supertierra con temperaturas templadas usando las técnicas espectroscópicas descritas. Más adelante, la misión ARIEL de la ESA, con lanzamiento previsto en 2028, llevará la técnica de la espectroscopia de tránsitos a otro nivel al aplicarla a centenares de exoplanetas de tipo Júpiter y Neptuno, aunque de tipo caliente. El objetivo es saber no solo qué tamaño tienen, sino de qué están compuestos y cuáles son los procesos que los han llevado a ser como son. Desafortunadamente, ni JWST ni ARIEL serán misiones que nos lleven a estudiar un gran número de exoplanetas habitables del entorno solar. Los tránsitos planetarios tienen sus limitaciones. Al fin y al cabo, la geometría manda y solo uno de cada cien o doscientos de los planetas que existan tendrán la inclinación orbital adecuada para que crucen el disco de su estrella al verlos desde la Tierra.

Con un telescopio lo suficientemente grande y con el desarrollo de instrumentos basados en interferometría o coronografía debería ser posible cancelar la mayor parte de la luz de una estrella y mostrar directamente los planetas que la orbitan. A pesar de numerosos avances, todavía no estamos ahí. Se están estudiando varios conceptos de misión, por ejemplo HabEx, LUVOIR, NGO, que aplicarían estas técnicas y que estarían en condiciones de ser lanzadas durante la década de 2030. Si los desarrollos tienen éxito, tal vez en algunos (o muchos) de los planetas que estudien hallaremos evidencias de biomarcadores. Así que podríamos estar relativamente cerca (una o dos décadas) de tener las primeras detecciones sólidas de vida más allá del sistema solar. Los humanos nos hemos preguntado siempre por la naturaleza de todo cuanto nos rodea, por comprender y explorar nuestro entorno. A la mayor escala posible, ello significa conocer nuestra ubicación y nuestro contexto en el universo.

La otra revolución espacial

A mediados del siglo XVI, Nicolás Copérnico revolucionó la comprensión de la arquitectura del sistema solar para abandonar la visión de la Tierra como el centro privilegiado. Nuestro Sol, una estrella más de la Galaxia. Nuestro planeta, uno más de los que orbitan a su alrededor. Es el punto azul pálido fotografiado desde 6.000 millones de kilómetros de distancia por la sonda Voyager 1 en 1990 y que significa la imagen más lejana tomada jamás de nuestro planeta. Nuestro sistema planetario no está solo, conocemos unos 4.000 planetas más, y es solo la punta del iceberg. La mayoría de las estrellas del entorno del Sol pueden tener planetas de tipo terrestre y, tal vez, en algunos de ellos haya surgido la vida. Para descubrirlos y caracterizarlos es necesario desarrollar tecnología que nos permita ver esos “puntos azul pálido” inundados por la luz de sus estrellas.

Por eso hoy, casi cinco siglos después de la revolución copernicana, vivimos un momento apasionante y estamos a punto de culminar la siguiente revolución: la que nos conducirá no ya a conocer la ubicación de nuestro planeta, sino la de nosotros mismos, como seres vivos, en el contexto del universo viviente.

Descubiertos 3 exoplanetas potencialmente habitables y cercanos

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