Campos de Estrellas

¿Qué edad tienen los primeros planetas del Universo?

Artículo original de Keith Cooper: How Old are the First Planets?.

Para construir un planeta se necesita un montón de material formando escombros y eso supone un montón de elementos pesados ​​-elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. La composición elemental de la nebulosa que al colapsar dió origen al Sol y a los planetas del Sistema Solar incluía elementos como el hierro, silicio y magnesio, los cuales forman el grueso de los planetas rocosos, así como carbono, oxígeno, nitrógeno, potasio y otros elementos que son esenciales para la vida.

Disco protoplanetario

Disco protoplanetario: University of Copenhagen/Lars Buchhave

Sin embargo, estos materiales estuvieron presentes tan sólo en pequeñas cantidades que no suponían más del 2% de toda la nebulosa, que se encontraba dominada por el hidrógeno (74%) y el helio (24%). Sin embargo, esta nube gaseosa era enorme, se estima que albergaba suficientes elementos pesados ​​para construir al menos treinta planetas como la Tierra.

Estos elementos pesados, conocidos como metales en la jerga astrónomica, no se materializan de la nada. Son el resultado de la fusión en el interior de las estrellas, y su posterior diseminación por todo el cosmos mediante las ondas de choque de las supernovas, lo que enriquece el medio interestelar con la materia prima para los planetas. Para acumular suficiente cantidad de estos materiales, muchas estrellas deben vivir y morir, cada una contribuyendo a la evolución química del Universo. Pero, ¿cuánto material se necesita realmente para construir un planeta y cómo de rápido pudo el Universo acumular el nivel suficiente para lograrlo?

Planetas Heavy Metal

La Tierra nació de los escombros de un disco protoplanetario alrededor de un Sol que nació 4500 millones de años atrás, una cantidad de tiempo importante en la agenda de cualquiera. Sin embargo, el Universo tiene 13.700 millones de años de existencia, el Sistema Solar ha existido aproximadamente sólo durante el último tercio de la historia cósmica. ¿Es posible que los planetas rocosos pudieran haberse formado alrededor de otras estrellas mucho antes? Por hacer una comparación, ¿somos nuevos en un barrio con más vecinos?

Candidatos de Kepler

Candidatos de Kepler: NASA/Wendy Stenzel

Hasta hace poco no pensabamos así. La idea predominante era que la magia de la alquimia estelar no produce suficiente material estelar útil para construir mundos terrestres hasta por lo menos 6 ó 7 mil millones de años tras el Big Bang. Los estudios iniciales sobre la búsqueda de mundos alrededor de estrellas con una “metalicidad” (es decir, abundancia de elementos pesados) igual o mayor que nuestro sol exoplanetas habían respaldado esto. Sin embargo, los sesgos que afectaron a nuestras primeras detecciones de planetas también habían desvirtuado nuestra comprensión de los tipos de estrellas que podrían formar planetas. Hasta el año 2009 y el lanzamiento de la misión Kepler de la NASA, la gran mayoría de los exoplanetas cuya existencia conocíamos eran gigantes gaseosos que orbitaban cerca de sus estrellas, simplemente porque eran más fáciles de detectar. Estos planetas parecían preferir estrellas de mayor metalicidad.

Sin embargo Kepler ha cambiado nuestra visión de los exoplanetas. La mera observación de tantos a la vez en su campo de visión, ha llevado al telescopio espacial a obtener un censo sin precedentes de mundos alienígenas. Se han encontrado 2.321 planetas candidatos hasta la fecha, más de un tercio de los cuales son planetas rocosos pequeños (los gigantes de gas del tamaño de Júpiter o mayores constituyen sólo el 11%, y el resto son del tamaño de Neptuno o mundos de naturaleza indeterminada), mientras que antes de Kepler el número de exoplanetas rocosos descubiertos se podían contar con los dedos de una mano. Los estudios posteriores de sus estrellas han proporcionado un descubrimiento sorprendente.

“Hemos descubierto que la existencia de planetas pequeños no depende en gran medida de la metalicidad de sus estrellas, como ocurre en el caso de los planetas más grandes”, dice Lars Buchhave, del Instituto Niels Bohr en la Universidad de Copenhague. Buchhave es el autor principal de un nuevo estudio que involucra a un grupo multinacional de astrónomos que investigan el espectro de 150 estrellas que albergan 226 candidatos a planetas encontrados por Kepler. Su investigación fue presentada inicialmente en la reunión número 220 de la Sociedad Astronómica Americana en Anchorage, Alaska, en junio, y la siguió un artículo en Nature.

Planeta tipo júpiter caliente

Júpiter caliente: ESA – C.Carreau

“A primera vista parece no lógico que los gigantes gaseosos deban ser los que dependan de la metalicidad, sino más bién los planetas terrestres”, dice Anders Johansen del Observatorio de Lund en Suecia, coautor del artículo de Buchhave. Sólo cuando uno se para a considerar cómo se forman los planetas empieza a cobrar sentido. El proceso de acreción jerárquica a partir de bloques de construcción más pequeños se denomina acreción del núcleo, pero se ha producido una especie de debate en torno a los gigantes gaseosos como Júpiter. ¿Pueden estos planetas condensarse directamente del gas de la nebulosa solar como lo hace una estrella, o necesitan una gran semilla alrededor de la cual crezcan rápidamente recogiendo gas del disco protoplanetario en un proceso fuera de control?

La preferencia de los gigantes de gas por las estrellas de metalicidad más alta indica que se formaron a través de la acreción del núcleo, mediante la construcción de un núcleo rocoso central de diez veces la masa de la Tierra, el cual podría dominar el disco protoplanetario y barrer la mayor parte del gas antes de que éste se disipase tras unos diez millones años. En los sistemas de metalicidad más baja, no habría suficientes elementos pesados ​​para construir núcleos grandes, dejando sólo pequeños mundos rocosos. En este sentido Johansen sugiere que una manera de entender los planetas terrestres es verlos como núcleos fallidos de planetas gaseosos gigantes.

Límites a la Vida

Los sistemas planetarios alrededor de estrellas que poseen una deficiencia en elementos pesados ​​pueden llegar a ser lugares atractivos para la búsqueda de vida, ya que, sin la presencia de los gigantes gaseosos, la vida puede ser más fácil. La mayor parte de los gigantes gaseosos extrasolares que hemos descubierto son los llamados “júpiter calientes”, ubicados muy cerca de sus estrellas y que completan una órbita en tan sólo unos días. Estos planetas no se formaron tan cerca de sus estrellas, en realidad migraron hacia el interior del sistema desde las órbitas en las que surgieron. Johansen dice que cada vez más astrónomos están empezando a comprender la idea de que esa migración se ve forzada por el tirón gravitatorio y la fricción dinámica del gas, o por encuentros cercanos con otros planetas. Estas interacciones con los compañeros del disco protoplanetario ha privado de momento angular a los planetas, causando a menudo que caigan en una espiral hacia su estrella. Los desafortunados planetas de menor tamaño que se encuentren en el camino del gigante de gas merodeador son expulsados ​​del sistema por éste.

“Si un planeta tipo Júpiter migra y en el proceso esparce todos los planetas más pequeños lejos, uno probablemente debería buscar planetas terrestres en otros lugares”, dice Buchhave. La vida puede tener un viaje más agradable en el universo temprano, cuando, gracias a la metalicidad más baja, no hubo gigantes de gas, el argumento de que planetas del tamaño de Júpiter son necesarios como un escudo contra los impactos de cometas conllevaría que tampoco se recibiesen el agua de estos cometas. La vida puede prescindir de los planetas gaseosos gigantes.

Galaxia espiral M74

M74: NASA, ESA

El que los planetas del tamaño de la Tierra no necesiten estrellas con una gran abundancia de elementos pesados es algo que posee unas enormes implicaciones, aumenta las posibles moradas en el espacio y el tiempo. Consideremos lo siguiente: las galaxias tienden a evolucionar químicamente de adentro hacia afuera, con una mayor abundancia de elementos pesados ​​cerca del centro galáctico en vez de en las afueras de los brazos espirales. Bajo el paradigma anterior, las regiones exteriores de los brazos espirales eran en realidad tierras baldías, incapaces de producir planetas o la vida. Sin embargo, cuando la metalicidad ya no es un problema tan grande, la zona galáctica habitable – una región donde las condiciones ambientales como la metalicidad y la tasa de supernovas conspiran para hacer planetas habitables posible – de repente se ensancha para abarcar franjas mucho más amplias de una galaxia.

Ahora consideremos que la abundancia de elementos pesados ​​en el Universo ha crecido a lo largo de la historia. En el pasado la metalicidad promedio sería algo menor. Una vez más, bajo el paradigma anterior esto suponía la imposibilidad de formar planetas rocosos en el Universo temprano, pero ahora sabemos que tales planetas podrían haberse formado en ambientes que contienen niveles de elementos pesados mucho más pobres. Esto significa que los planetas que potencialmente podrían haber sostenido la vida pudieron haberse formado hace 8, 10, o tal vez 12 mil millones de años.

Los estudios detectan una disminución en el número de estrellas que albergan planetas con la disminución de la metalicidad, pero esta disminución es mucho más pequeña para planetas de tipo terrestre que para los gigantes gaseosos. Por supuesto, la presencia de algunos elementos pesados ​​durante las fases de construcción de planetas es obligatoria, pero el nivel mínimo aún no ha sido determinado.

“Espero que haya un límite inferior”, dice Johansen. “Simplemente por debajo de un umbral de metalicidad no hay suficiente material de construcción para formar planetas con una masa como la de la Tierra”. Está claro que una abundancia de elementos pesados de ​​una décima parte de la del Sol o inferior plantería problemas para la formación de planetas. Sin embargo, cada galaxia evoluciona de manera diferente y no hay manera de saber a ciencia cierta cuándo la Vía Láctea cruzó este umbral, aunque es probable que haya sido en la historia temprana del Universo, el joven cosmos era particularmente adepto a la producción de múltiples generaciones de estrellas en rápida sucesión. Tasas de formación estelar de 4000 masas solares por año se han medido menos de mil millones de años después del Big Bang, en comparación con las míseras 10 masas solares de gas que se convierten en estrellas cada año en la Vía Láctea.

“Una típica estrella masiva que explotó y lanzó elementos pesados ​​hace 10 o 12 mil millones años atrás tenía una metalicidad de una décima parte del Sol”, añade Johan Fynbo, Profesor de Cosmología en el Instituto Niels Bohr. “Cada vez que se produce una nueva generación de estrellas se enriquece el gas interestelar con elementos pesados”.

La paradoja de Fermi

Por tanto, planetas rocosos alrededor de más estrellas, en mayores extensiones de la Vía Láctea y remontándose atrás en el tiempo más de lo que habíamos soñado alguna vez, echa más leña al fuego de la Paradoja de Fermi. Descrita en primer lugar por el brillante físico nuclear Enrico Fermi en 1950, la Paradoja de Fermi se pregunta por qué, dado el número de estrellas y planetas ahí fuera junto con la enorme edad del Universo, no hay civilizaciones alienígenas que hayan encontrado la Tierra. ¿Dónde están todos?

Hubble, campo ultraprofundo

Campo ultraprofundo del Hubble: NASA, ESA

El problema se agrava aún más si tenemos en cuenta que el primer término de la ecuación de Drake -el método de Frank Drake para estimar el número de civilizaciones inteligentes en la galaxia- es la tasa de formación de estrellas, que en promedio fue mucho mayor en el Universo hace 10-13 mil millones de años atrás, cuando parece que los primeros planetas se habrían empezado a formar. En la actualidad, en la Vía Láctea, la tasa media anual de formación estelar es de diez masas solares, un incremento del orden en diez o cien veces tiene el efecto de elevar el resultado de la ecuación: el número estimado de civilizaciones.

Uno de los argumentos favoritos en contra de la Paradoja de Fermi es que se necesita tiempo para alcanzar la metalicidad umbral, lo que conlleva que el Sol sería una de las primeras estrellas con el nivel requerido y que por lo tanto, la Tierra sería uno de los primeros planetas con vida. Ahora vemos que los planetas y la vida pudieron surgir en prácticamente cualquier punto de la historia cósmica, lo que socava este argumento en contra y nos obliga a preguntarnos una vez más: ¿dónde está todo el mundo? Si la vida aparece por primera vez en los planetas hace entre 12 y 13 millones de años, entonces las civilizaciones inteligentes (si es que han sobrevivido todo este tiempo) estarán ahora miles de millones de años por delante de nosotros y sus preocupaciones ya no son las de los acontecimientos en una bola de barro húmeda en alguna parte de las interioridades de la galaxia. Quizás civilizaciones que son muchos miles de millones de años más antiguas emplean su tiempo desviando la energía de los agujeros negros o viviendo dentro de Esferas de Dyson.

Sin embargo hay algunos giros en la historia. En 2010, investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, descubrieron un planeta gigante de gas alrededor de una estrella tan carente de elementos pesados ​​que debe haberse formado muy temprano en la historia del Universo. Para aumentar la intriga, la estrella, conocida como HIP 13044 y situada 2.000 años luz de distancia, es parte de una corriente estelar que es todo lo que queda de una galaxia enana que ha sido devorada por la Vía Láctea. Este año, los mismos investigadores encontraron otra estrella de baja metalicidad con dos gigantes de gas. En base a la abundancia de hidrógeno y helio de la estrella, conocida como HIP 11952, ésta debió nacer hace 12,8 mil millones años, 900 millones de años después del Big Bang. Por qué han sido capaces de formarse gigantes de gas ​​alrededor de estas estrellas deficientes de metales pesados es algo que desconocemos. Tal vez utilizando un proceso alternativo para la formación de planetas gaseoso.

Por otro lado nuevos resultados sugieren que, en al menos algunas regiones del Universo, los gigantes de gas han sido capaces de formarse en cualquier momento.

Abundancia Elemental

Para algunas galaxias tenuesen el Universo distante, cuya luz es demasiado débil como para permitir una medición de su espectro, es posible emplear una técnica que hace uso de la retroiluminación natural de los cuásares altamente luminosos para estudiar galaxias tenues en primer plano. Al aprovechar este método para estudiar la composición química de una galaxia que existía 12 mil millones años atrás, un equipo de astrónomos que incluye a Johan Fynbo obtuvo una revelación sorprendente.

“Nos fijamos en un cuásar de fondo cuya luz atraviesa una galaxia que se encuentra en frente de ella, por lo que la luz del cuásar fue absorbida”, dice Fynbo. “Esto nos permitió ver las líneas de absorción de oxígeno, azufre, carbono y todos los elementos que han sido sintetizados en la galaxia”.

Planetas rocosos de Kepler-20

Kepler-20: NASA/Ames/JPL-Caltech

Doce mil millones de años la química de las galaxias debería haber sido bastante primitiva, pero en esta galaxia en particular Fynboy sus colegas, que reportaron sus hallazgos en la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, encontraron una abundancia de elementos pesados ​​equivalente a la del Sol. Tales hallazgos a distancias elevadas no son inusuales por sí mismos, pero suelen producirse usando el centro de los cuásares, en un área muy pequeña de una galaxia. Sin embargo en este caso la luz del cuásar estaba brillando a través del disco de la galaxia que se encontraba en primer plano, mostrando niveles de elementos pesados como los del Sol ​​a 52.000 años luz del centro de la galaxia, justo en las afueras. Incluso hoy en día, nuestra Vía Láctea no está tan avanzada químicamente hasta el borde de sus brazos espirales, así que ¿cómo esta galaxia distante ha conseguido enriquecerse en toda su extensión con tanta rapidez?

La mejor explicación hasta ahora es que un brote de formación estelar -un episodio intenso y rápido de formación de estrellas- en las regiones interiores de la galaxia ha llevado los elementos pesados a los exteriores de las galaxias. Esto puede producirlo el fuerte vendaval de vientos estelares causado por la radiación que emana de las estrellas calientes y masivas, o por el transporte de las ondas de choque de las supernovas. Por otra parte, la luz del cuásar estaba enrojecida por el polvo de la galaxia. El polvo es el elemento más básico en la formación de planetas, se reune en conglomerados y terrones que se acumulan para formar protoplanetas. El polvo es también producto de la fase de violento bombardeo sufrido por los jóvenes sistemas planetarios y es fabricado con abundancia en las supernovas.

“Para formar planetas claramente necesitas metales y parece que en una galaxia es posible producirlo en lugares alejados y en momentos muy tempranos, esto es lo que nos sorprendió”, dice Fynbo. Sin embargo, metalicidades tan altas también permiten la formación de planetas gigantes de gas, y aunque Lars Buchhave ya ha mencionado las dificultades que los gigantes gaseosos pueden causar a los planetas habitables, no necesariamente tienen que suponer el final del show, nuestro Sistema Solar con Júpiter y Saturno no es la única excepción.

“En el sistema planetario Kepler-20 hay cinco planetas” dice Fynbo, “Tres son del tamaño de Saturno y dos son de tamaño terrestre, y siguen un orden grande-pequeño-grande-pequeño-grande. Si los planetas con la masa de Saturno migraron, ¿cómo pueden los pequeños planetas estar entre los más grandes?

En cualquier caso, una cosa es cada vez más evidente: que muy poco tiempo después del Big Bang ya se disponía de materias primas suficientes para la formación de planetas terrestres, lo que plantea la posibilidad de que pueda haber vida mucho más antigua que la nuestra en el Universo. Tal vez ellos residan alrededor de estrellas enanas rojas de larga vida, o se hayan marchado de su sistema de origen una vez que su estrella haya expirado. O, quizás, realmente somos los primeros, lo que significa que si la vida ha ocurrido sólo una vez a lo largo de toda la historia del Universo, nuestra existencia tiene que ser un golpe de suerte y nuestro planeta muy, muy especial.

About these ads

Escrito por Felipe

31 agosto, 2012 a 16:54

Publicado en exoplanetas

Seguir

Recibe cada nueva publicación en tu buzón de correo electrónico.

%d personas les gusta esto: