La habitabilidad de otros mundos

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Artículo publicado el 14 de enero de 2016 en el Instituto Max Planck

Nuevos métodos permiten unas medidas precisas de la gravedad de las estrellas y el tamaño de los exoplanetas.

Cuánto pesamos en un planeta es algo que depende de su gravedad de superficie. La gravedad es un parámetro importante también para las estrellas, y cambia drásticamente a lo largo de la vida de una estrella, proporcionando información sobre su edad y etapa en la evolución estelar. Dado que las estrellas en el cielo nocturno aparecen sólo como pequeños puntos de luz, este valor es muy difícil de medir. Un equipo de científicos del Instituto Max Planck para Investigación en el Sistema Solar, en Göttingen, la Universidad de Viena, y Canadá, Francia y Australia, han desarrollado ahora un nuevo método que puede usarse para determinar la gravedad en la superficie de estrellas lejanas, de una precisión con un bajo porcentaje de error. También permite una mejor determinación del tamaño y la habitabilidad de los exoplanetas.

Exoplaneta circumbinario

Exoplaneta circumbinario Crédito: CfA

En los últimos años, los astrónomos han descubierto miles de planetas alrededor de estrellas lejanas (exoplanetas), la mayor parte de los mismos usando el método de tránsito. Este método implica una búsqueda de variaciones en el brillo de la estrella, que tienen lugar cuando los planetas pasan frente a su estrella madre, bloqueando parte de la luz estelar. El tamaño del planeta puede deducirse a partir de la curva de luz – pero siempre sólo en relación al tamaño de su estrella.

Para calcular si un planeta recién descubierto es similar a la Tierra, o si es un gigante gaseoso como Júpiter, por ejemplo, los investigadores deben tener información precisa sobre las propiedades de la estrella. El tamaño de la estrella y, en última instancia, del planeta, también pueden deducirse a partir de la fuerza gravitatoria.

Hasta ahora, las medidas exactas sobre la gravedad eran posibles sólo para un pequeño número de estrellas relativamente brillantes. Tal como informan los astrónomos en la revista Science Advances, el nuevo método les permite determinar la gravedad de superficie de las estrellas que son mucho más tenues con una precisión casi constante.

El método usa variaciones mínimas del brillo en la luz estelar. Aunque el brillo de las estrellas en el cielo nocturno parece constante a primera vista, está sujeto a variaciones medibles: oscilaciones acústicas en el interior de una estrella cambian la cantidad de luz irradiada, como también los movimientos de convección – burbujas de gas caliente que suben y luego bajan al enfriarse.

Ambos fenómenos se ven influidos directamente por la gravedad de superficie de la estrella. Pueden, por tanto, usarse para medir la gravedad, la cual se deduce de la masa y el radio de la estrella.

El autor principal, Thomas Kallinger de la Universidad de Viena, explica que no es necesario mirar en el espacio para observar estos fenómenos. Simplemente mirando lo que sucede en nuestra cocina podemos verlo: “Si calentamos agua en una olla, sube desde el fondo hacia la superficie, donde el calor transportado se transfiere al aire. El líquido se hunde de nuevo, y el ciclo se inicia de nuevo”.

Esta circulación transporta energía y es lo que se conoce como convección. También tiene lugar en las capas bajo la superficie solar, entre otros sitios, y de forma similar en la mayor parte de las estrellas de nuestra galaxia.

Para poder investigar las oscilaciones acústicas y los movimientos de convección de una estrella, se determina su brillo en intervalos cortos a lo largo de un gran periodo de tiempo. El valor del brillo medido – dibujado en una gráfica como una función del tiempo – genera la curva de luz.

El método más preciso disponible para medir la gravedad de una estrella está en el análisis minucioso de las oscilaciones estelares y, por tanto, de la curva de la luz. Sin embargo, este método puede usarse sólo para aquellas estrellas cuyas oscilaciones sobresalen claramente del ruido de fondo. Pero normalmente este caso sólo se da con estrellas brillantes que son, relativamente, muy pocas.

Más habitual es el caso en que los astrónomos tienen que lidiar con estrellas que no tienen el brillo suficiente para que sus oscilaciones puedan estudiarse en detalle. Sus curvas de luz son mucho más ruidosas, dado que la proporción de señal a ruido depende del brillo de la estrella, entre otras cosas. Cuanto más tenue es la estrella, más débil es la señal que llega al detector, y más difícil es procesarla. Para curvas de luz con tanto ruido, las frecuencias individuales no pueden extraerse y no se puede aplicar el método clásico.

El nuevo método, que los investigadores llaman Autocorrelation Function Timescale TechniqueTimescale Technique para abreviar, ahora permite a los investigadores determinar un valor preciso para la gravedad de estrellas débiles con curvas de luz con mucho ruido.

Los astrónomos filtran las curvas de luz para eliminar las señales de periodo largo – las cuales se originan a partir del campo magnético de la estrella, por ejemplo, y no se ven afectadas directamente por la gravedad de superficie. La escala de tiempo normal es la señal provocada por la convección y los pulsos, que pueden determinarse a partir de la curva de luz filtrada.

Esto se hace con la ayuda de lo que se conoce como filtro de paso alto, que tamiza las señales de periodo largo en los datos. La frecuencia de filtrado debe seleccionarse de tal forma que la señal que quiere medirse no se vea también filtrada; la intención es eliminar todas las señales periódicas que no se correlacionan con la gravedad, es decir, señales que surgen a partir de la rotación estelar, por ejemplo.

La precisión del método está alrededor del 4 por ciento. El único método hasta la fecha que puede aplicarse a estrellas tenues sólo proporciona una precisión de alrededor del 25 por ciento, por contra.

Los investigadores ven una enorme cantidad de posibles aplicaciones para su método. El telescopio espacial Kepler, por ejemplo, actualmente usa el método de tránsito para buscar exoplanetas, generando cientos de miles de curvas de luz extremadamente precisas durante el proceso. Futuras misiones, tales como PLATOTESS, también usarán este método.

En el proceso, se observarán millones de estrellas, cuyas etapas de evolución y tamaños de planetas podrían investigarse usando este nuevo método.

“El método nos proporciona valores precisos para parámetros estelares que necesitamos para determinar la estructura y edad de la estrellas”, dice el coautor Saskia Hekker del Instituto Max Planck para Investigación en el Sistema Solar, en Göttingen. Y también apunta que: “Los resultados para estrellas individuales también serán muy útiles para darnos una mejor comprensión de nuestra Vía Láctea”.

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