Los primeros descubrimientos de exoplanetas

El primer sistema solar hallado aparte del nuestro no estaba relacionado con una estrella de secuencia principal como el Sol, sino con un púlsar. Esto fue algo inesperado.

Desde entonces, hemos encontrado miles de exoplanetas (y en todo tipo de sistemas estelares imaginables), y seguimos limitándonos a planetas más pequeños y más parecidos a la Tierra.

Webb y los exoplanetas

Uno de los principales propósitos del telescopio espacial James Webb es estudiar las atmósferas de los exoplanetas, para buscar en otras partes del universo los componentes básicos de la vida. Pero el telescopio espacial James Webb es un telescopio de observación infrarroja. ¿Por qué esto es bueno para estudiar exoplanetas?

Un método que Webb utiliza para estudiar exoplanetas es el método del tránsito, lo que significa que busca la atenuación de la luz de una estrella cuando su planeta pasa entre nosotros y ella. (Los astrónomos llaman a esto un “tránsito”). La colaboración con telescopios terrestres puede ayudarnos a medir la masa de los planetas, mediante la técnica de la velocidad radial (es decir, midiendo la oscilación estelar producida por la atracción gravitacional de un planeta), y luego Webb hace la espectroscopia de la atmósfera del planeta.

Webb también transporta coronógrafos para permitir la obtención directa de imágenes de exoplanetas cerca de estrellas brillantes. La imagen de un exoplaneta sería solo un punto, no un amplio panorama, pero estudiar ese punto nos puede enseñar mucho al respecto. Eso incluye su color, las diferencias entre el invierno y el verano, la vegetación, la rotación, las condiciones atmosféricas… ¿Cómo se hace esto? La respuesta, de nuevo, es la espectroscopia.

La espectroscopia

La espectroscopia es simplemente la ciencia de medir la intensidad de la luz en diferentes longitudes de onda. Las representaciones gráficas de estas mediciones se denominan espectros y son la clave para descubrir la composición de las atmósferas de los exoplanetas.

Cuando un planeta pasa por delante de una estrella, la luz de la estrella pasa a través de la atmósfera del planeta. Si, por ejemplo, el planeta tiene sodio en su atmósfera, el espectro de la estrella, sumado al del planeta, tendrá lo que llamamos una “línea de absorción” en el lugar del espectro donde se esperaría ver sodio (ver la gráfica a continuación). Esto se debe a que los diferentes elementos y moléculas absorben la luz a energías características; y así es como sabemos en qué parte del espectro podríamos esperar ver la señal de sodio (o de metano, o de agua) si está presente.

¿Por qué un telescopio del infrarrojo es clave para caracterizar las atmósferas de estos exoplanetas? El beneficio de hacer observaciones en el infrarrojo es que es en las longitudes de onda infrarrojas donde las moléculas de las atmósferas de los exoplanetas tienen el mayor número de rasgos espectrales. El objetivo final, por supuesto, es encontrar un planeta que tenga una atmósfera similar a la de la Tierra.

El sistema solar

Además de estudiar planetas fuera de nuestro sistema solar, los científicos quieren aprender más sobre nuestro propio planeta. De hecho, Webb complementa otras misiones de la NASA en el sistema solar, entre las que se cuentan los observatorios en tierra, los que están en órbita alrededor de la Tierra y aquellos en el espacio profundo. Los datos de diferentes longitudes de onda y de diferentes fuentes pueden ayudarnos a componer una imagen más amplia y completa de los objetos de nuestro sistema solar, especialmente con la ayuda de las mejoras en sensibilidad y resolución de Webb, que no tienen precedentes. Webb observa a Marte y a los planetas gigantes, a planetas menores como Plutón y Eris, e incluso a los pequeños cuerpos celestes de nuestro sistema solar: asteroides, cometas y objetos del cinturón de Kuiper.

Webb nos está ayudando a comprender los vestigios de componentes orgánicos en la atmósfera de Marte y esto está siendo utilizado para hacer estudios que verifiquen los hallazgos de los vehículos exploradores y módulos de aterrizaje de Marte. Las observaciones de Webb del sistema solar exterior son utilizadas con las observaciones de Saturno hechas por la sonda Cassini para darnos una mejor idea de las condiciones meteorológicas estacionales en nuestros planetas gaseosos gigantes. En cuanto a los asteroides y otros cuerpos pequeños de nuestro sistema solar, hay algunas características en los espectros de estos objetos que son invisibles para los observatorios terrestres, pero Webb es capaz de verlas. Webb nos está ayudando a obtener más información sobre la mineralogía de estos objetos hechos de roca.

Preguntas clave

Existen muchas preguntas:

• ¿Cómo se unen y se forman los componentes básicos de los planetas?
• ¿Cuáles son los elementos constituyentes de los discos circunestelares que dan lugar a los sistemas planetarios?
• ¿Los planetas de un sistema planetario se forman en el mismo lugar, o se desplazan hacia el interior del sistema después de formarse en sus confines?
• ¿Cómo alcanzan los planetas sus órbitas definitivas?
• ¿Cómo afectan los planetas grandes a los más pequeños (también en sistemas solares como el nuestro)?
• ¿Podemos encontrar planetas orbitando en las zonas habitables de las estrellas donde es posible que exista agua, o tal vez vida?
• ¿Cuál es la historia química y física de los cuerpos pequeños y grandes que se unieron para formar la Tierra?
• ¿Cómo se desarrolló la vida en la Tierra?
• ¿Contienen pistas sobre nuestros orígenes los cometas y otros cuerpos celestes lejanos hechos de hielo?
• ¿Hubo alguna vez vida en Marte?
• Desde nuestro propio sistema solar hasta los sistemas estelares lejanos: ¿qué podemos entender sobre la formación planetaria, la evolución de los planetas y su idoneidad como hábitats?

El papel de Webb para dar respuesta a estas preguntas

El telescopio espacial James Webb observa...

La vida y los sistemas planetarios

El primer planeta fuera de nuestro sistema solar fue descubierto en 1992. Desde entonces, hemos descubierto una multitud de planetas alrededor de otras estrellas. Hemos llegado a la conclusión de que los planetas son, de hecho, bastante comunes. El objetivo final de esta búsqueda es encontrar planetas que orbitan en la zona habitable de su estrella, donde es posible que exista agua líquida y, tal vez, incluso vida.

Para rastrear los orígenes de la Tierra y de la vida en el universo, los científicos necesitan estudiar la formación y evolución de los planetas, incluyendo el material alrededor de las estrellas donde estos se forman. Un tema clave es entender cómo se unen y se forman los componentes básicos de los planetas. Los científicos no saben si todos los planetas de un sistema planetario se forman en el mismo lugar o se desplazan hacia el interior del sistema después de formarse en sus confines. Tampoco se sabe cómo los planetas alcanzan sus órbitas definitivas, o cómo los planetas grandes afectan a los más pequeños en sistemas solares como el nuestro.

Los cuerpos compuestos de hielo y el polvo en los confines de nuestro sistema solar son evidencia de las condiciones que existían cuando nuestro sistema solar era muy joven. Los científicos pueden comparar directamente esas condiciones con los objetos y el polvo observados alrededor de otras estrellas. Los instrumentos sensibles del telescopio espacial James Webb pueden obtener imágenes infrarrojas de planetas gigantes y sistemas planetarios, y caracterizar sus edades y masas midiendo sus espectros. Webb también es capaz de medir los espectros de los discos que están alrededor de otras estrellas para determinar cuáles son los elementos constituyentes de dichos discos que dan lugar a sistemas planetarios.

Nuestro sistema solar

Además de estudiar planetas fuera de nuestro sistema solar, los científicos quieren aprender más sobre nuestro propio planeta. Webb será lo suficientemente potente como para identificar y caracterizar cometas y otros cuerpos helados en los confines de nuestro sistema solar (como los objetos en el cinturón de Kuiper y los cometas), los cuales podrían contener pistas sobre nuestros orígenes en la Tierra.

Webb está haciendo posible numerosas investigaciones científicas en nuestro propio sistema solar. La cobertura espectral y la sensibilidad en el infrarrojo cercano y medio que ofrece Webb complementan las demás misiones de la NASA en el sistema solar, incluyendo las naves espaciales y los vehículos exploradores, así como los observatorios terrestres.

Webb está contribuyendo con los objetivos generales de la ciencia planetaria, a saber: comprender la formación y evolución de los planetas y su idoneidad como hábitats. El conjunto de observaciones del sistema solar, los planetas, sus lunas y otros cuerpos pequeños como asteroides y cometas que Webb permite nos está ayudando a mejorar nuestra comprensión de nuestro propio sistema planetario.

La sensibilidad y resolución espectral sin precedentes de Webb no es común en la mayoría de las misiones planetarias. Esto posibilita grandes avances en los estudios sobre la composición de la mayoría de los objetivos de observación en el sistema solar. Por ejemplo, Webb puede buscar moléculas que podrían ser señales de vida pasada o presente en la atmósfera marciana, y llevar a cabo estudios globales que complementen los hallazgos de los rovers en ese planeta.

Webb desempeña un papel importante para la ciencia planetaria como la única misión dedicada y activa en el sistema solar exterior, tras la finalización de la misión Cassini en 2017. Los estudios estacionales de los planetas gigantes, así como las observaciones de nuevos cuerpos celestes y satélites serán importantes para las próximas misiones planetarias.