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Una técnica de detección de agua para cribar exoplanetas potencialmente habitables

Hasta la fecha, el satélite Kepler de la NASA ha permitido descubrir 2 325 exoplanetas. Sin duda, no todos son habitables. Con el propósito de detectar candidatos adecuados, averiguar las condiciones atmosféricas de planetas donde haya agua y dilucidar el origen y la evolución de los campos magnéticos planetarios, los artífices del proyecto HOTMOL están diseñando nuevas herramientas fundamentadas en la técnica de la espectropolarimetría.
Una técnica de detección de agua para cribar exoplanetas potencialmente habitables
¿Cómo se originan y evolucionan los campos magnéticos planetarios y con qué eficacia son capaces de proteger las atmósferas frente a la deshidratación por el efecto del viento estelar? La capacidad de detectar campos magnéticos en planetesimales y planetas extrasolares llevará a una nueva dimensión el estudio de la habitabilidad.

Para considerarlo un planeta extrasolar, un objeto planetario tiene que cumplir cuatro criterios: una masa mínima equivalente o inferior a treinta masas de Júpiter; la presencia de una estrella anfitriona; haber realizado suficientes observaciones y validaciones complementarias para evitar falsos positivos; y la difusión de toda esta información y de las propiedades orbitales y físicas en publicaciones sometidas a comité de lectura.

Pero identificar un planeta similar a la Tierra que pueda albergar vida ya es harina de otro costal. La vida, según la entendemos, requiere de agua en estado líquido, y éste es un elemento que las tecnologías disponibles en la actualidad son incapaces de detectar.

Para subsanar esta deficiencia, los artífices del proyecto financiado con fondos europeos HOTMOL (Hot Molecules in Exoplanets and Inner Disks) utilizan la espectropolarimetría, con la esperanza de detectar moléculas calientes (vapor de agua y otras partículas volatiles) en planetas extrasolares y en la zona interior de discos protoplanetarios.

El proyecto HOTMOL está dirigido por la profesora Svetlana Berdyugina, de la Universidad Albert Ludwig de Friburgo, Alemania, quien aseguró que el proyecto conducirá a métodos sensibles para detectar moléculas calientes en exoplanetas y que este logro es trascendental de cara a profundizar en nuestra comprensión de los sistemas de estrellas y planetas.

¿De qué modo la presencia de moléculas calientes delataría la presencia de agua en exoplanetas concretos?

Se han encontrado moléculas hídricas calientes en estrellas y júpiteres calientes, a temperaturas de varios miles de grados, y también moléculas hídricas frías y hielo en nubes interestelares y en la zona exterior del Sistema Solar, a tan sólo unos pocos grados Kelvin.

Para que exista vida según la entendemos, es un requisito indispensable la presencia de agua en estado líquido sobre la superficie planetaria. Pero hoy por hoy no es posible detectar agua líquida en la superficie de los exoplanetas, tampoco en un planeta de tamaño similar a la Tierra que fuera potencialmente habitable. No obstante, lo que sí sabemos es que, si existe agua sobre la superficie, también debe estar presente en la atmósfera del planeta en forma de vapor, al evaporarse por efecto de la irradiación estelar, junto con otras moléculas afines. Estas moléculas calientes son esenciales para determinar la habitabilidad de los planetas, y el primer paso de cara a detectar vida fuera de la Tierra pasa por idear métodos precisos que permitan detectar esas moléculas en los exoplanetas.

¿Qué métodos han ideado para detectar estas moléculas calientes?

El principal escollo al estudiar sistemas exoplanetarios consiste en diferenciar la luz del propio planeta y el fulgor de estrellas. Para conseguirlo, el equipo de HOTMOL se vale de una ingeniosa técnica de doble diferencial que se denomina espectropolarimetría.

En primer lugar, la señal del planeta se distingue en rayas espectrales, dado que en los espectros estelares podría no haber moléculas particulares, o bien que sí las haya pero presenten un cambio de velocidad con respecto a las rayas estelares. En segundo lugar, las rayas espectrales planetarias resultan perceptibles bajo una luz polarizada cerca de ciertas fases orbitales. De este modo, dichas rayas aparecerían y desaparecerían bajo la luz polarizada de forma periódica a medida que el planeta orbita en torno a su estrella. Con esta técnica se incrementa la sensibilidad de detección en al menos un orden de magnitud. Sirve también como comprobación de veracidad al tratar de detectar moléculas utilizando únicamente la espectroscopia.

Combinadas, las señales espectrales y de polarización proporcionan información singular sobre las condiciones físicas en los exoplanetas y los planetesimales próximos a estrellas. Casualmente, esta misma técnica ideada en el proyecto sirve también para detectar organismos fotosintéticos en planetas lejanos. Hemos medido los espectros polarizados de bacterias y plantas terrestres y computado los espectros de planetas similares a la Tierra empleando biofirmas fotosintéticas. Ha quedado demostrado que nuestra técnica es mucho más sensible que otras a estas biofirmas. Sería posible buscar estas señales con los actuales telescopios de gran tamaño en unos pocos sistemas planetarios cercanos, sobre todo en las proximidades de las estrellas Alfa Centauri A y B, si algún día se encontrasen planetas en esa región.

¿En qué se diferencian estas técnicas de las ya disponibles?

En las observaciones actuales se utilizan únicamente espectros y el flujo sin polarizar para detectar planetas extrasolares. De forma pionera, el equipo de HOTMOL aboga por reforzar estos estudios con la luz polarizada. Como ya he señalado, con la luz polarizada ya se incrementa la sensibilidad en un orden de magnitud, pero seguimos introduciendo mejoras aplicando nuevas tecnologías ópticas y electrónicas.

Asimismo, las variaciones del flujo polarizado son observables con independencia de si el planeta transita en torno a la estrella, por lo que esta técnica podrá aplicarse a una gama mucho más amplia de planetas extrasolares. Otros científicos han empleado una técnica de correlación cruzada espectral cuyo potencial para detectar planetas extrasolares ya ha quedado demostrada. Podemos mejorarla con mediciones de la polarización, lo cual deparará información muy abundante sobre aspectos físicos de sus atmósferas.

¿Cuáles serán los requisitos técnicos para utilizar estas herramientas en la investigación dedicada a los exoplanetas?

Nuestro primer objetivo consiste en desarrollar técnicas novedosas, pero nuestro objetivo último es que se pongan en práctica para un uso amplio. Concretamente, un requisito previo importante será contar con instalaciones específicas de observación, por ejemplo una red de telescopios dotados con polarímetros de gran precisión.

En colaboración con nuestros socios de la Universidad de Turku (Finlandia) y la Universidad de Hawaii (USA) hemos construido varias copias de nuestros polarímetros de gran precisión que se utilizan ya en telescopios en distintos lugares: en La Palma y Tenerife (Canarias), Mauna Kea y Haleakala (Hawaii), y a finales de este año también en Tasmania (Australia). Además, somos miembros del consorcio de telescopios PLANETS (Polarized Light from Atmospheres of Nearby Extra-Terrestrial Systems), junto con las Universidades de Hawaii (Estados Unidos) y Tohoku (Japón). El telescopio que se va a construir en Haleakala será una de las instalaciones dedicadas en exclusiva dentro de nuestra red.

Pero para lograr una detección sin ambigüedades de vida en planetas extrasolares se precisa una instalación de mucho mayor tamaño. Es posible que demos ya los primeros pasos con la clase de telescopios de 30m, como el E-ELT de la ESO construido en Chile, pero para efectuar estudios sistemáticos de la distribución de la vida en el «vecindario» solar se precisará una instalación de la clase de 100m como los telescopios Colossus y Exo-Life Finder (ELF), a los que aportamos casos científicos.

¿Qué objetivos les quedan por alcanzar de aquí al final del proyecto?

Durante los cuatro años de duración del proyecto hemos desarrollado numerosas herramientas teóricas y obtenido y analizado una gran cantidad de datos observacionales. El último año del proyecto está dedicado a finalizar multitud de publicaciones que en este momento están preparando los integrantes del equipo. Hacia el final del quinto año organizaremos un congreso y escuela internacionales sobre moléculas calientes y biofirmas en los planetas extrasolares. Ahí expondremos nuestros resultados y explicaremos a la comunidad científica la manera de utilizar nuestras herramientas y datos.

¿Cuándo y cómo se pondrán estas herramientas a disposición de la comunidad científica?

Uno de los objetivos fundamentales de HOTMOL consiste en poner nuestras herramientas teóricas a disposición de una amplia comunidad científica que las utilice. Hemos desarrollado un sitio web específico que permite ejecutar nuestras herramientas, incluso desde un teléfono móvil. Disponemos de computaciones de las propiedades magnéticas moleculares, espectros polarizados moleculares, tránsitos y eclipses exoplanetarios, luz reflejada polarizada de exoplanetas y polarización estelar dispersa. Seguimos añadiendo herramientas para el estudio de los planetas extrasolares, y mantendremos este sitio web en funcionamiento tras la conclusión del proyecto. Entre nuestros recursos se encuentran también datos obtenidos con nuestros instrumentos. El uso de las herramientas es gratuito para todos; sólo hay que inscribirse por Internet.

HOTMOL
Financiado con arreglo a FP7-IDEAS-ERC
Página web del proyecto
Página web del proyecto en CORDIS

Fuente: Entrevista publicada en la revista de resultados research*eu nº 53 pp. 9-11

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