Nueva técnica para medir la masa de planetas de otros sistemas solares

Hasta la fecha, los científicos han confirmado la existencia de más de 900 exoplanetas (planetas de otros sistemas solares). Para determinar si cualquiera de estos distantes mundos es habitable, un dato útil es su masa, la cual puede ayudar a los científicos a saber si el planeta está hecho esencialmente de gas como Júpiter, o por el contrario es de tipo rocoso como la Tierra.

Sin embargo, las técnicas actuales para estimar la masa de los exoplanetas presentan limitaciones importantes. El método de la velocidad radial es el método principal que usan los científicos. Esta técnica indirecta de detección de planetas mide el sutil movimiento hacia adelante y hacia atrás de la estrella a lo largo de su órbita producido por el tira y afloja gravitatorio de un planeta no detectado visualmente. A partir de esas distorsiones orbitales ínfimas, los astrónomos pueden deducir la relación de masa existente entre el planeta y la estrella. Para los planetas muy grandes, por lo menos del tamaño de Neptuno, o para planetas del tamaño de la Tierra que orbitan muy cerca de estrellas brillantes, el método de la velocidad radial funciona relativamente bien. Pero la técnica es bastante menos eficaz con los planetas pequeños que orbitan mucho más lejos de sus estrellas, a distancias comparables a la existente entre la Tierra y el Sol.

Ahora, el equipo de Julien de Wit y Sara Seager, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, Estados Unidos, ha desarrollado una nueva técnica para determinar la masa de los exoplanetas, utilizando solamente las señales generadas cuando un exoplaneta pasa por delante de su estrella (desde la perspectiva visual de la Tierra). Esas señales consisten en una sutil intercepción de parte de la luz de la estrella y el filtrado de otra porción a través de la atmósfera del planeta. Estos datos se han utilizado tradicionalmente para determinar el tamaño de un planeta y las propiedades de su atmósfera, pero el equipo del MIT ha encontrado una manera de interpretarlos que revela también la masa del planeta.

Recreación artística de un espectro de transmisión de un planeta. (Imagen: Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit)
La composición química de un planeta es obviamente un dato fundamental, pero su masa puede permitir deducir de qué tipo es su superficie y qué clase de actividad interna posee.

La masa afecta a innumerables fenómenos y características a escala planetaria, como por ejemplo la tectónica de placas, la convección o enfriamiento internos del planeta, la manera en que se generan los campos magnéticos y si el gas se escapa de su atmósfera o no.

Usando grandes telescopios, incluyendo los telescopios espaciales Spitzer y Hubble de la NASA, los científicos han sido capaces de analizar los espectros de transmisión de los exoplanetas recientemente descubiertos. Un espectro de transmisión se genera cuando un planeta pasa frente a su estrella, dejando que algo de luz atraviese su atmósfera. Mediante el análisis de las longitudes de onda de la luz que pasa a través de la atmósfera, los científicos pueden determinar las propiedades de la atmósfera del planeta, incluyendo temperatura y densidad. De la cantidad total de luz bloqueada, se puede calcular el tamaño de un planeta.

Para determinar la masa de un exoplaneta mediante espectroscopia de transmisión, De Wit se basó en el efecto que la masa de un planeta tiene sobre su atmósfera, y en el hecho de que los espectros de transmisión dan información sobre propiedades de la atmósfera de un planeta. La clave para deducir la masa de un planeta a partir de observaciones de su atmósfera fue una ecuación estándar que describe el efecto que tiene la fuerza gravitacional de un planeta sobre el perfil de la presión atmosférica (la magnitud en que cambia la presión atmosférica a través de la atmósfera), teniendo en cuenta también su temperatura y su densidad atmosférica.

Según esta ecuación, conociendo tres de estos parámetros se puede obtener el valor del cuarto parámetro. Como la masa de un planeta se puede deducir de su fuerza de gravedad, De Wit razonó que la masa de un planeta podría deducirse de su temperatura atmosférica, perfil de presión atmosférica, y densidad atmosférica, parámetros que, en principio, pueden obtenerse a partir de un espectro de transmisión.

Sin embargo, para obtener una medición exacta de la masa de un planeta, De Wit tenía que demostrar que estos tres parámetros se pueden obtener de forma independiente el uno del otro, y exclusivamente a partir de un espectro de transmisión.

A fin de probar que la temperatura de un planeta, su perfil de presión, y su densidad atmosférica, se pueden deducir de forma independiente a partir de un espectro de transmisión, De Wit debía demostrar que cada parámetro tiene un efecto distintivo en el espectro de transmisión. De Wit realizó nuevas deducciones analíticas a partir de los principios básicos del transporte radiativo, y encontró que una constante matemática descubierta en el siglo XVIII, la que se conoce como Constante de Euler-Mascheroni, es capaz de ayudar a distinguir los efectos individuales de cada parámetro. En otras palabras, esta constante actúa como una "clave de cifrado" a partir de cuyo conocimiento se puede descodificar el proceso por el cual las propiedades de la atmósfera de un planeta se introducen en su espectro de transmisión.

Para probar el método, De Wit aplicó la técnica a un exoplaneta descubierto recientemente, el llamado 189733b, que se encuentra a 63 años-luz de distancia. A partir de sus cálculos, De Wit obtuvo la misma medición de masa que la que se obtiene usando el método de la velocidad radial.
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