Cómo los cambios en la velocidad de las estrellas permitieron determinar los planetas más parecidos a la Tierra jamás observados

Una iniciativa conjunta entre Europa y los Estados Unidos, ETAEARTH (Measuring Eta_Earth: Characterization of Terrestrial Planetary Systems with Kepler, HARPS-N, and Gaia) tenía por objetivo medir las masas dinámicas de los candidatos a planetas terrestres descubiertos por la misión Kepler. Los resultados del proyecto superaron las expectativas y dieron lugar a la mayoría de los descubrimientos de planetas similares a la Tierra de los últimos cinco años.

El doctor Alessandro Sozzetti, coordinador del proyecto e investigador en el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia, trata los resultados del proyecto.

Hay muchos estudios en curso sobre los análogos de la Tierra. ¿En qué destaca ETAEARTH?

Durante los cinco años de duración del proyecto, ETAEARTH ha combinado la fantástica precisión fotométrica de las misiones K2 y Kepler de la NASA con la calidad sin parangón de las mediciones de velocidad radial sobre el terreno realizadas con el espectrógrafo HARPS-N en el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) italiano en las islas Canarias. El objetivo era determinar las propiedades físicas de planetas extrasolares terrestres en órbita alrededor de estrellas de un tamaño igual o inferior al del Sol con una precisión sin precedentes.

Los científicos de ETAEARTH teníamos una ventaja significativa respecto a otros equipos de investigación porque disponíamos de acceso al notorio programa de Observaciones de tiempo garantizado (GTO, por sus siglas en inglés) con HARPS-N@TNG, para un total de cuatrocientas noches de observación durante cinco años. Una inversión de tiempo de tal calibre de un telescopio fue esencial para el espectacular éxito del proyecto.

¿Cuál es el valor añadido de combinar los datos de KEPLER y HARPS-N?

Kepler y K2 emplean la técnica de tránsitos planetarios: miden la disminución de la luz emitida por una estrella cuando se cruza un planeta, lo que revela el tamaño del planeta. HARPS-N, por otro lado, mide los cambios en la velocidad de la estrella a causa de la fuerza gravitacional de un planeta en órbita, lo que nos permite definir su masa.

Mediante la combinación de estas dos observaciones podemos calcular la densidad del planeta y determinar su composición general (por ejemplo, rocoso, rico en agua, rico en gas, etc.) con gran precisión.

¿Puede contarnos más sobre su metodología?

ETAEARTH seleccionó cuidadosamente candidatos a exoplanetas de radio pequeño de Kepler y K2 basándose en las probabilidades de medir sus masas de forma precisa con HARPS-N. Entonces, diseñamos estrategias de observación adaptativas a medida para cada sistema dependiendo, por ejemplo, de la magnitud de la señal buscada por HARPS-N y del periodo orbital del candidato.

Tras completar una campaña de observación para un determinado objetivo, determinamos de forma precisa los parámetros físicos fundamentales de la estrella central (su masa y radio), dado que solo un conocimiento preciso de estas cantidades nos permite obtener estimaciones precisas de los parámetros planetarios.

El siguiente paso de nuestra metodología implicaba un análisis combinado sofisticado de los datos de Kepler/K2 y HARPS-N para obtener todos los parámetros físicos y orbitales del sistema (tanto para planetas en tránsito simples como múltiples). Por último, nuestras mediciones de las densidades planetarias se compararon con predicciones para determinar la composición real del planeta o planetas.

¿Cuáles fueron las principales dificultades a las que se enfrentaron en este proceso y cómo las superaron?

El mayor desafío que afrontamos fue trabajar con la actividad estelar. Este fenómeno, producido principalmente por puntos en la superficie de la estrella que aparecen y desaparecen de la vista según la estrella rota (como nuestro Sol), provoca dificultades para la interpretación de los datos, en particular los recopilados con HARPS-N. En ocasiones puede ocultar por completo o incluso imitar una señal planetaria. Por tanto, crees que estás viendo un planeta, ¡pero en realidad estás midiendo una estrella haciéndose pasar por uno!

Nuestra curva de aprendizaje fue marcada, pero al final logramos el objetivo utilizando un enfoque de dos vertientes: en primer lugar, adaptamos nuestras estrategias de observación con HARPS-N para asegurarnos de que pudiésemos tomar muestras adecuadamente tanto de señales estelares como planetarias. Con la mejor distribución temporal posible de nuestras observaciones, entonces desarrollamos sofisticadas herramientas de análisis que nos permitieron diferenciar de forma eficaz las señales planetarias y las producidas por la actividad estelar.

¿Cuáles diría que fueron sus logros más importantes?

Pudimos aprender por primera vez acerca de la física de estos objetos interiores. En particular, determinamos con gran precisión (un 20 % o más) la composición del 70 % de los planetas conocidos actualmente con masas de entre una y seis veces la masa de la Tierra y con una composición rocosa similar a la de nuestro planeta.

Entre ellos, descubrimos el Kepler-78b, el primer objeto planetario que presenta una masa, radio y densidad similares a los de la Tierra. También descubrimos los dos planetas rocosos en tránsito más cercanos, que orbitan la estrella de tipo solar HD219134 y se encuentran a tan solo 21 años luz. Esta muestra perfecta de planetas con parámetros bien definidos nos permitió deducir que todos los planetas densos con masas inferiores a seis veces la masa de la Tierra (incluidos la Tierra y Venus) están bien definidos por exactamente la misma composición rocosa (en términos técnicos, la misma relación fija de hierro y silicato de magnesio).

Lo más destacable es que ETAEARTH proporciona las primeras limitaciones disponibles de la densidad de K2-3d, un planeta en un sistema transitorio múltiple que es similar a la Tierra en masa y órbitas dentro de la zona habitable de la estrella que, hasta la fecha, se considera más similar en masa al Sol. K2-3d parece pertenecer a la categoría, todavía huidiza, de «mundos acuáticos», con una densidad ligeramente inferior a la de la Tierra.

Por último, utilizando la información de la muestra completa de objetos descubiertos por Kepler, determinamos que una de cada cinco estrellas de tipo solar alberga un planeta similar a la Tierra, es decir, un objeto con un tamaño similar a la Tierra que orbita dentro de la zona habitable de su estrella principal de tipo solar.

¿Cuáles son sus planes de seguimiento, si los tiene?

Nuestros planes para el periodo posterior a ETAEARTH se centrarán principalmente en aprovechar el enorme potencial que está a punto de destapar un importante agente nuevo en el ámbito de los exoplanetas, la misión TESS de la NASA, que se lanzó satisfactoriamente hace tan solo unas semanas.

TESS encontrará planetas en tránsito en la mayor parte del cielo observable con radios no muy superiores al de la Tierra y en torno a estrellas que normalmente brillan con una intensidad entre cinco y diez veces mayor que las observadas por Kepler. Algunos de estos pequeños planetas orbitarán a distancias de zona habitable de sus estrellas principales (normalmente con masas inferiores al Sol).

Tenemos previsto invertir numerosos recursos de observación de ambos hemisferios, mientras seguimos utilizando HARPS-N y el nuevo cazador europeo de planetas de precisión ultraalta ESPRESSO en el «Very Large Telescope» de los Andes chilenos, para medir las masas y densidades de los mejores candidatos proporcionados por TESS. De este modo, podríamos aumentar drásticamente la muestra de objetivos óptimos que permitan la investigación de sus atmósferas.