Reescribiendo la historia

Un gran tesoro pasado por alto, la primera evidencia de exoplanetas.

El concepto de este artista muestra un exoplaneta y un disco de desechos que orbita una enana blanca contaminada.
Crédito: NASA/JPL-Caltech.

Debajo de un elegante edificio de oficinas con un techo de tejas rojas de estilo español en Pasadena, California, tres almacenes gastados protegen más de un siglo de astronomía. Al bajar las escaleras y girar hacia la derecha encuentras un maravilloso sótano. Hay innumerables cajas y cajones de madera, apilados desde el suelo hasta el techo, con placas para el telescopio, dibujos de manchas solares y otros registros, un tenue olor a amoníaco que recuerda a una película antigua impregna el sótano. Toda la protección del almacén es una puerta negra corta con un cartel que dice "Esta puerta debe mantenerse cerrada".

Carnegie Observatories alberga 250.000 placas fotográficas tomadas en los observatorios Mount Wilson, Palomar y Las Campanas, que abarcan más de 100 años. En su apogeo, los telescopios Mount Wilson de 60 pulgadas (152,4 cm) y 100 pulgadas (254 cm) (la mayor vio su primera luz el 1 de noviembre de 1917) fueron los instrumentos más potentes en su época de su tipo. Cada uno cambió indeleblemente la comprensión de la humanidad de nuestro lugar en el Cosmos. Pero estas maravillas tecnológicas estaban adelantadas a su tiempo, en un caso, capturando señales de mundos distantes que no serían reconocidos durante un siglo.

Mount Wilson es el sitio donde se realizaron algunos de los descubrimientos clave sobre nuestra galaxia y el Universo a principios del siglo XX. Aquí es donde Edwin Hubble se dio cuenta de que la Vía Láctea no puede ser la extensión de nuestro universo, porque Andrómeda (o M31) está más lejos que los alcances más lejanos de nuestra galaxia. La placa fotográfica del Telescopio Hooker de 100 pulgadas de 1923, que capturó esta realización monumental, explotó como un gran cartel fuera de los almacenes Carnegie.

Hubble y Milton Humason, cuya carrera en Mount Wilson comenzó como conserje, trabajaron juntos para explorar la naturaleza en expansión del universo. Utilizando los telescopios legendarios, así como los datos del Observatorio Lowell en Flagstaff, Arizona, reconocieron que los cúmulos de galaxias se alejan unos de otros, y las galaxias más distantes se alejan unas de otras a velocidades mayores.

Pero hay un descubrimiento mucho menos conocido, de 100 años de antigüedad, de Mount Wilson, uno que no fue identificado ni apreciado hasta hace poco. En realidad es: la primera evidencia de exoplanetas.

Una historia de detectives

Comenzó con Ben Zuckerman, profesor emérito de astronomía en la Universidad de California, Los Ángeles. Estaba preparando una charla sobre las composiciones de planetas y cuerpos rocosos más pequeños fuera de nuestro sistema solar para un simposio de julio de 2014 por invitación de Jay Farihi, a quien había ayudado a supervisar cuando Farihi era un estudiante graduado de UCLA. Farihi había sugerido que Zuckerman hablara sobre la contaminación de las enanas blancas, que son estrellas débiles y muertas compuestas principalmente de hidrógeno y helio. Por "contaminación", los astrónomos quieren decir que los elementos pesados ​​invaden las fotosferas (las atmósferas externas) de estas estrellas. Lo que pasa es que todos esos elementos adicionales no deberían estar allí; la fuerte gravedad de la enana blanca debería tirar de los elementos hacia el interior de la estrella y fuera de la vista.

Imagen de autor de una enana blanca contaminada con un cometa cayendo en su interior acompañada por un objeto masivo y un disco de escombros.
Crédito: NASA/ESA and Z. Levy.

La primera enana blanca contaminada identificada se llama Estrella de van Maanen (o "van Maanen 2" en la literatura científica), después de su descubridor Adriaan van Maanen. Van Maanen encontró este objeto en 1917 al detectar su movimiento sutil en relación con otras estrellas entre 1914 y 1917. El astrónomo Walter Sydney Adams, quien más tarde se convertiría en director de Mount Wilson, capturó el espectro, una huella digital química, de la estrella de van Maanen en una pequeña placa de vidrio con el telescopio de 60 pulgadas de Mount Wilson. Adams interpretó el espectro como una estrella de tipo F, supuestamente basada en la presencia y la fuerza del calcio y otras características de absorción de elementos pesados, con una temperatura algo más alta que nuestro Sol. En 1919, van Maanen lo llamó una "estrella muy débil". Hoy sabemos que la Estrella de van Maanen, que se encuentra a unos 14 años luz de distancia, es la enana blanca más cercana a la Tierra que no forma parte de un sistema binario.

"Esta estrella es un ícono", dijo Farihi recientemente. "Es el primero de su tipo. Es realmente el prototipo".

Mientras preparaba su charla, Zuckerman tuvo lo que más tarde llamó un "verdadero momento de 'eureka'", artículo científico. La Estrella de Van Maanen, sin el conocimiento de los astrónomos que la estudiaron en 1917 y quienes lo pensaron durante décadas después, debe ser la primera evidencia observacional de la existencia de exoplanetas.

¿Qué tiene que ver esto con los exoplanetas?

Los elementos pesados ​​en la capa más externa de la estrella no podrían haber sido producidos dentro de la estrella, porque se hundirían inmediatamente debido al intenso campo gravitacional de la enana blanca. A medida que se descubrieron más enanas blancas con elementos pesados ​​en sus fotosferas en el siglo XX, los científicos llegaron a creer que los materiales exóticos debían provenir del medio interestelar, es decir, elementos que flotaban en el espacio entre las estrellas.

Pero en 1987, más de 70 años después del espectro de Mount Wilson de Star de van Maanen, Zuckerman y su colega Eric Becklin informaron un exceso de luz infrarroja, artículo científico, alrededor de una enana blanca, que pensaron que podría provenir de una débil estrella fallida llamada enana marrón. Esto fue, en 1990, interpretado como un disco caliente y polvoriento orbitando a una enana blanca. A principios de la década de 2000, había surgido una nueva teoría de enanas blancas contaminadas: los exoplanetas podían empujar pequeños cuerpos rocosos hacia la estrella, cuya poderosa gravedad los pulverizaría hasta convertirlos en polvo. Ese polvo, que contiene elementos pesados ​​del cuerpo desgarrado, caería sobre la estrella.

"La conclusión es: si eres un asteroide o cometa, no puedes simplemente cambiar tu dirección. Necesitas algo que te mueva", dijo Farihi. "De lejos, los mejores candidatos para hacer éso son los planetas".

El telescopio Spitzer de la NASA. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech.

El Telescopio Espacial Spitzer de la NASA ha sido un gran instrumento de estudio en la expansión del campo de las enanas blancas contaminadas orbitadas por discos calientes y polvorientos. Desde su lanzamiento en 2004, Spitzer ha confirmado alrededor de 40 de estas estrellas especiales. Otro telescopio espacial, el Wide-field Infrared Survey Explorer de la NASA, también detectó un puñado, lo que eleva el total a unas cuatro docenas conocidas hoy en día. Debido a que estos objetos son tan débiles, la luz infrarroja es crucial para identificarlos.

"No podemos medir la cantidad exacta de luz infrarroja que proviene de estos objetos usando telescopios en el suelo", dijo Farihi. "Spitzer, específicamente, acaba de estallar de par en par".

Apoyando la nueva teoría del "disco polvoriento" de las enanas blancas, en 2007, Zuckerman y sus colegas publicaron observaciones de una atmósfera enana blanca con 17 elementos, materiales similares a los encontrados en el sistema Tierra-Luna. (El fallecido profesor de UCLA Michael Jura, quien hizo contribuciones cruciales al estudio de las enanas blancas contaminadas, fue parte de este equipo.) Esta fue una prueba más de que al menos un cuerpo pequeño y rocoso, o incluso un planeta, se había roto aparte por la gravedad de una enana blanca. Los científicos ahora generalmente están de acuerdo en que una estrella enana blanca con elementos pesados ​​en su espectro probablemente tenga al menos un cinturón de escombros rocosos, los restos de cuerpos que colisionaron violentamente y nunca formaron planetas, y probablemente al menos un planeta importante, artículo científico.

Entonces, los elementos pesados ​​que estaban flotando en el medio interestelar no podían explicar las observaciones. "Aproximadamente 90 años después del descubrimiento de van Maanen, los astrónomos dijeron: 'Vaya, este modelo de acrecentamiento interestelar no puede ser correcto'", dijo Zuckerman.

Persiguiendo el espectro.

Inspirado por Zuckerman, Farihi se enamoró con la idea de que alguien había tomado un espectro con la primera evidencia de exoplanetas en 1917, y que debe existir un registro de esa observación. "Tengo mis dientes en la pregunta y no me dejaré ir", dijo.

Farihi se acercó a los Observatorios Carnegie, que posee los telescopios Mount Wilson y salvaguarda sus archivos. El director de Carnegie, John Mulchaey, puso al voluntario Dan Kohne en el caso. Kohne rebuscó en los archivos y, dos días más tarde, Mulchaey le envió a Farihi una imagen del espectro.

"No puedo decir que me sorprendió, francamente, pero me dejaron gratamente sorprendido al ver que la firma estaba allí, y se podía ver incluso con el ojo humano", dijo Farihi.

El espectro de la Estrella de van Maanen que Farihi había solicitado ahora se encuentra en una pequeña manga de archivo, etiquetada con la fecha manuscrita "1917 Oct 24" y una nota adhesiva amarilla moderna: "posiblemente el primer registro de un exoplaneta".

Cynthia Hunt, astrónoma que se desempeña como presidenta del comité de historia de Carnegie, sacó la placa de vidrio del sobre y la colocó en un visor que la encendió. El espectro en sí mismo mide aproximadamente 1/6 de pulgada o un poco más de 0.4 centímetros.

Aunque la placa parece poco notable a primera vista, Farihi vio dos "colmillos" obvios que representaban caídas en el espectro. Para él, esta era la pistola humeante: dos líneas de absorción del mismo ion de calcio, lo que significa que había elementos pesados ​​en la fotosfera de la enana blanca, lo que indica que probablemente tenga al menos un exoplaneta. Escribió sobre ello en 2016 en New Astronomy Reviews, artículo científico.

Primer plano del espectro de la estrella de van Maanen. Crédito: Carnegie Institution for Science

Exoplanetas y discos de escombros.

Los científicos han pensado durante mucho tiempo que la gravedad de los planetas gigantes podría mantener los cinturones de escombros en su lugar, especialmente en los sistemas planetarios jóvenes. Un estudio reciente en The Astrophysical Journal, enlace al artículo, mostró que las estrellas jóvenes con discos de polvo y escombros tienen más probabilidades de tener planetas gigantes que orbitan a gran distancia de su estrella madre que aquellos sin discos.

Una enana blanca no es una estrella joven; por el contrario, se forma cuando una estrella de baja a mediana masa ya ha quemado todo el combustible en su interior. Pero el principio es el mismo: la atracción gravitacional de los exoplanetas gigantes podría arrojar cuerpos pequeños y rocosos a las enanas blancas.

Nuestro propio Sol se convertirá en un gigante rojo en unos 5 mil millones de años, expandiéndose tanto que incluso puede tragar a la Tierra antes de que se desprenda de sus capas externas y se convierta en una enana blanca. En ese punto, la gran influencia gravitacional de Júpiter puede ser más perjudicial para el cinturón de asteroides, arrojando objetos hacia nuestro Sol mucho más oscuro. Este tipo de escenario podría explicar los elementos pesados ​​en la Estrella de van Maanen.

Imagen de autor de un disco de escombros girando con un exoplaneta alrededor de una enana blanca. Crédito: NASA/JPL-Caltech.

Las observaciones de Spitzer sobre la Estrella de van Maanen no han encontrado planetas allí hasta el momento. De hecho, hasta la fecha, no se han confirmado exoplanetas orbitando enanas blancas, aunque uno tiene un objeto que se piensa que es un planeta masivo. Otra evidencia convincente ha surgido solo en los últimos años. Utilizando el Observatorio W. M. Keck en Hawai, los científicos, incluido Zuckerman, anunciaron recientemente que habían encontrado evidencia de que una enana blanca había comido un objeto tipo cinturón de Kuiper, artículo científico.

Los científicos aún exploran enanas blancas contaminadas y buscan los exoplanetas que pueden albergar. Alrededor del 30 por ciento de todas las enanas blancas que conocemos están contaminadas, pero sus discos de escombros son más difíciles de detectar. Jura adelantó que con muchos asteroides entrando y colisionando con escombros, el polvo se puede convertir en gas, que no tendría la misma señal infrarroja altamente detectable que el polvo.

Farihi estaba emocionado por cómo resultó su trabajo de detective de archivos de Mount Wilson. En 2016, describió el descubrimiento histórico en el contexto de un artículo de revisión sobre enanas blancas contaminadas, artículo científico, argumentando que las enanas blancas son "objetivos convincentes para la investigación del sistema exoplanetario".

Quién sabe qué otros tesoros pasados ​​por alto esperan ser descubiertos en los archivos de los grandes observatorios, los registros de observación del cielo de un cosmos rico en sutileza. Seguramente, otras personas motivadas por la curiosidad encontrarán otras pistas que formularán las preguntas correctas.

"Es la interacción personal con los datos lo que realmente puede impulsarnos a invertir en las preguntas que estamos haciendo", dijo Farihi.

Lea esta historia con más imágenes en: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6991

Glosario de términos.

Exoplaneta: un planeta que orbita una estrella que no sea el Sol.

Enana blanca: una estrella tenue, compacta y compacta: el núcleo remanente que queda después de estrellas de masa intermedia (similar al Sol) agota su combustible nuclear y desprende sus capas externas. Están dominados por oxígeno y carbono, pero a menudo tienen capas delgadas de hidrógeno y helio.

Estrella de tipo F: una estrella de secuencia principal que es algo más caliente, más masiva y más luminosa que nuestro Sol.

Cinturón principal de asteroides: la región entre Marte y Júpiter poblada por millones de pequeños cuerpos rocosos. El miembro más grande de este cinturón es el planeta enano Ceres.

Cinturón de Kuiper: una región en forma de disco de cuerpos helados más allá de Neptuno, cuyos miembros más grandes conocidos incluyen los planetas enanos Plutón, Haumea y Makemake.

Publicado en Spitzer el 1 de noviembre del 2.017.