La caza de exoplanetas: el método de Velocidad Radial

La noche ha llegado finalmente al observatorio del Roque de los Muchachos. El cielo azul se ha transformado en un océano de estrellas que roba la belleza a un horizonte tapizado de nubes. Los telescopios están listos para cazar fotones. A primera vista, las estrellas parecen estáticas en un cielo oscuro que es víctima de la rotación de la Tierra. Sin embargo, todas las estrellas que iluminan nuestra noche se mueven dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Nuestra misión aquí es detectar esos movimientos, que nos pueden indicar la presencia de mundos lejanos.

La naturaleza del movimiento de las estrellas se manifiesta en dos formas. Primero, el movimiento de las estrellas en el plano del cielo, llamado movimiento propio, que lentamente va transformando las constelaciones. Y segundo el movimiento de las estrellas con respecto a nosotros, su velocidad de alejamiento o acercamiento, llamada también velocidad radial. Esta es la cantidad que nos encargamos de medir aquí en el observatorio. Desafortunadamente, el movimiento de las estrellas es imperceptible a nuestros ojos. Es por eso que requerimos grandes telescopios y sobre todo, instrumentos de alta precisión. Y es por esa razón que estamos aquí en el observatorio.

Todos nosotros estamos familiarizados con el efecto Doppler, al menos con su versión acústica. El sonido cambia por el hecho de que un auto se acerca o se aleja a nosotros. Ya que las ondas sonoras se comprimen o estiran dependiendo de la velocidad del auto. La luz es también una onda, y el efecto Doppler se manifiesta como un cambio de color. Un objeto astronómico parece más rojo cuando se aleja y más azul cuando se acerca. Afortunadamente, los astrónomos tenemos espectrógrafos, que nos ayudan a medir estos cambios de color. Estos instrumentos generan un espectro, que es una separación de colores que contiene la huella digital característica de cada estrella. Esta colorida descomposición de luz -que es llamado espectro- luce come un arcoiris con unas extrañas líneas oscuras. Estas líneas oscuras son causados por elementos en la atmósfera estelar, que absorben colores específicos que los hacen cuánticamente felices. Esto ha sido utilizado desde hace cientos de años para saber la composición de las estrellas. Pero también, la posición de estas líneas nos ayuda a medir el efecto Doppler, y así la velocidad radial de las estrellas. Cambios en esta velocidad nos sirve a los astrónomos para detectar exoplanetas.

Podemos imaginar un planeta orbitando una estrella lejana como un tango gravitacional en el que uno de los bailarines es invisible. Pero al analizar los movimientos del bailarín que podemos ver, es posible reconstruir el baile, saber la canción e incluso saber la naturaleza del compañero. Nosotros, los cazadores de exoplanetas, buscamos por cambios periódicos de colores en la estrella. Pulsaciones entre el azul y el rojo que pueden durar desde días hasta años. Estos cambios nos indican un cambio de velocidad en la estrella, causados por un planeta que perturba el baile de la estrella alrededor de la galaxia que nos perpleja esa noche.

Al detectar estas pulsaciones en velocidad radial de las estrellas también podemos tener una idea sobre la masa mínima del planeta. Y así saber si el planeta es masivo como Júpiter, o relativamente ligero como la Tierra. El problema es que los cambios de velocidades son relativamente pequeños. Júpiter genera un tambaleo de apenas 13 m/s en el Sol en 12 años, mientras que la Tierra genera uno de apenas 9 cm/s cada año. Por lo cual, requerimos instrumentos de última generación para poder observar planetas bamboleando a sus estrellas.

Nosotros nos encontramos ahora en el Telescopio Nazionale Galileo, que tiene al instrumento cazador de exoplanetas por excelencia en el hemisferio norte: HARPS-N. HARPS-N es una copia de HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher, por sus siglas en inglés), que se encuentra en el observatorio de La Silla, en el hemisferio sur. Estos instrumentos permiten medir la velocidad de las estrellas con una precisión promedio de 1 metro por segundo, que es equivalente al gatear de un bebé. Esta vez estamos midiendo masas de planetas descubiertos por el telescopio espacial Kepler, el predecesor de TESS. Al combinar las medidas de velocidad radial con los planetas transitantes, somos capaces de medir la masa real del planeta y tener una aproximación de su composición. Qué es el primer paso para saber si un planeta es habitable o no. Quizá la próxima vez que estemos aquí, estaremos midiendo la masa de uno de los planetas descubiertos por ti en Planet Hunters.

Como un capricho de simetría, el fin de la noche es anunciado en el horizonte con los mismos colores que su inicio 9 horas atrás. Tiempo de cerrar el telescopio antes de que el Sol regrese al protagonismo de un cielo azul. Nosotros dejamos el telescopio después de haber medido decenas de velocidades. Cada dato tomado con el telescopio nos ayuda a descifrar, paso a paso, la coreografía gravitacional que nos develará la existencia de mundos lejanos.

Este post fue publicado por primera vez en Astronomía Divertida el 17-05-2019. Esta entrada de blog también aparece en inglés en PlanetHunters.