El día que descubrimos Gliese 581 g

A estas alturas no revelo nada nuevo si digo que el descubrimiento de Gliese 581 g ha causado una conmoción en el mundo de la astronomía. No en vano, se trata del primer planeta con una masa muy similar la terrestre descubierto en la zona habitable de su estrella. Un acontecimiento de una gran importancia, sin duda. Hasta el 29 de septiembre de 2010 suponíamos que existían planetas de este tipo. A partir de ese día lo sabemos con seguridad.

Se trata del primer exoplaneta potencialmente habitable conocido por la Humanidad. Poco importa que Gliese 581 g termine siendo en realidad un infierno como Venus o un desierto congelado como Marte. Si lo pensamos detenidamente, la verdad es que sería mucha casualidad que precisamente el primer mundo rocoso que descubrimos orbitando en la zona habitable de su astro sea un vergel cubierto de océanos y bosques. Pero aunque las condiciones de Gliese 581 g resulten ser finalmente incompatibles con la vida, lo importante es que ahora muchos han tomado conciencia de que cada vez está más cerca el día que descubramos una Exotierra. Gliese 581 g nos recuerda las maravillas que nos ofrece la ciencia y la astronomía: literalmente, miles de mundos por descubrir nos aguardan ahí fuera.


Gliese 581 g, la prensa y los alienígenas con láseres

En la anterior entrada repasamos la historia de los descubrimientos de los distintos planetas que forman el sistema de Gliese 581 e intentamos aclarar algunos de los desmanes que hemos podido leer en la prensa estos días. Desgraciadamente, la bola de nieve formada por noticias exageradas o directamente falsas sobre el planeta no ha hecho más que aumentar, si bien es cierto que la desinformación en este tema no es responsabilidad exclusiva de los medios. Steven Vogt, el jefe del equipo descubridor de Gliese 581 g, cometió el error de decir durante una rueda de prensa que "personalmente estaba convencido de que la probabilidad de existencia de vida en el planeta era del 100%". El veterano astrónomo "cazaplanetas" Paul Butler, que también participó en el evento, casi da un salto en su silla al escuchar las atrevidas palabras de Vogt. Inmediatamente, todos los medios se hicieron eco de la declaración de Vogt. Eso sí, eliminando el "personalmente" (personal feelings) y casi dando por confirmada la presencia de vida en el exoplaneta.

Por si esto fuera poco, en los últimos días hemos asistido a la difusión de un bulo (o hoax, que queda más fino) relativo a este mundo. Según algunos medios -por lo que he podido ver, la mayoría de ellos españoles-, se habría detectado un pulso láser proveniente de Gliese 581. Varias noticias apuntaban incluso a que el origen de la señal era un planeta concreto del sistema (581c, 581e ó 581g según las versiones), como si pudiera ser posible resolver el origen del haz láser con tanta precisión. En cualquier caso, teniendo en cuenta que hay muy pocos procesos naturales que generen luz láser (aunque haberlos, haylos y sí que hay muchos que generan radiación máser), estaríamos ante un suceso más que revolucionario. Desgraciadamente, esta noticia es falsa.

Veamos los hechos: el astrónomo Ragbir Bhathal, un astrofísico de la Universidad de Western Sydney que trabaja en proyectos de SETI óptico, presuntamente observó en diciembre de 2008 un pulso láser en el cielo. Nada más. En ningún momento se afirmó que dicho pulso proviniese de la estrella Gliese 581. Es más, en la noticia no se mencionaba región celeste alguna. Probablemente se trató de una señal única y aislada que bien pudo deberse a simple ruido instrumental. Pero lo cierto es que todavía persiste cierto aura de misterio alrededor de la veracidad del suceso. A día de hoy no he podido ver ninguna confirmación oficial de la detección de la señal más allá de la fuente original de la noticia, un artículo aparecido en The Australian el 9 de mayo de 2009. En SETI.org no podemos encontrar nada al respecto y ni siquiera la página oficial del SETI en Australia menciona este suceso. Por lo que a mí respecta, la señal láser de Bhathal es irrelevante. Dejo a los lectores más interesados la tarea de averiguar qué hay de cierto en todo este asunto, que yo no tengo madera de periodista investigador. Lo importante es entender que, aunque el pulso láser fuese auténtico, no guarda relación alguna con Gliese 581 ni con sus planetas.

(Actualización: el propio Bhathal confirma la recepción de la señal láser, pero no ha podido asegurar todavía que su origen no sea humano y niega rotundamente que proviniese de Gliese 581. Por lo visto, la zona del cielo donde se originó la señal estaría situada en la constelación de Tucán.)


La detección de exoplanetas

Empecemos por aclarar dos cosas. Lo primero es que estos días se ha repetido hasta la saciedad que Gliese 581 g es el primer mundo conocido situado en la zona habitable de una estrella, pero esto no es cierto. Al menos, no exactamente. Ese honor le corresponde a HIP 57050, un exoplaneta de la masa de Saturno que orbita una enana roja de tipo espectral M4. Gliese 581 g (por cierto, debe pronunciarse "glise", no "gliese" o "glis") es la primera supertierra descubierta en la zona habitable (HZ), entendiendo por supertierra todo planeta con una masa entre 2 y 10 veces la terrestre

Lo segundo es que mucha gente piensa que los telescopios son capaces de ver los planetas extrasolares como pequeños puntos de luz junto a sus estrellas. No es este el caso. Gliese 581 g y sus cinco compañeros han sido detectados mediante el método de la velocidad radial, al igual que la mayoría de exoplanetas. Este método mide la velocidad de la estrella por efecto Doppler al girar alrededor del centro de masas del sistema. ¿Quieres saber qué es lo que "vemos" realmente cuando observamos un exoplaneta con este método? Pues algo así:


Gráfica de la velocidad radial medida en Gl 581.

Nada de puntos de luz. Sólo una gráfica de los datos de velocidad de la estrella (velocidad radial) con respecto al tiempo, y con importantes barras de error. Eso es todo. De aquí hay que deducir las pistas que revelen la presencia de planetas a través de modelos informáticos, discriminando el ruido instrumental y otros errores. Además hay que distinguir las señales ocasionadas por compañeros no planetarios (enanas marrones o estrellas menos luminosas). El método de la velocidad radial sólo permite calcular la masa mínima del planeta detectado y sus parámetros orbitales (semieje mayor, excentricidad, etc.). No es de extrañar por tanto que al estudiar un planeta con mejores instrumentos, estos parámetros, incluida la masa, puedan sufrir importantes variaciones. Si, por ejemplo, se descubren más planetas alrededor de Gliese 581, la masa y la órbita de Gliese 581 g podría ser en realidad ligeramente distinta a la publicada la semana pasada. Debemos tener mucho cuidado al suponer que conocemos los parámetros de los exoplanetas con gran precisión.


Comparativa del sistema de Gliese 581 con el Sistema Solar (NASA).


Otra comparativa entre los dos sistemas: en rojo, verde y azul, las órbitas de Mercurio, Venus y la Tierra respectivamente (Vogt et al.).

 
El sistema de Gl 581 en escala logarítmica (en Unidades Astronómicas) (fuente). 

Las enanas rojas y la zona habitable

A largo plazo, la característica más significativa de Gliese 581 g resultará ser la estrella a la que orbita. Gliese 581 es una enana roja de tipo espectral M3 situada a 20,3 años luz en la constelación de Libra. Con una magnitud de 10,56, esta estrella se puede ver utilizando un telescopio de aficionado. Su masa es de sólo 0,31 veces la masa del Sol y su radio 0,38 veces el solar. Las enanas rojas son las estrellas más abundantes del Universo (el 75% del total), así como las más longevas (¡de 40 a 200 gigaaños!), dos propiedades fundamentales. Por un lado, esto implica que el número de planetas habitables alrededor de enanas rojas debe ser por fuerza mucho mayor que el existente alrededor de otros astros. Por otra parte, las enanas rojas tienen una vida tan larga que pueden proporcionar fácilmente la estabilidad necesaria para que surja la vida. Por cierto, que el término "políticamente correcto" para las enanas rojas es "estrella dM".

Gliese 581 seguirá brillando cuando el Sol no sea más que una enana blanca y sus planetas interiores hayan desaparecido. Nuestra Galaxia debe estar repleta de cadáveres planetarios orbitando los restos de estrellas de mayor masa. Por contra, los mundos habitables primigenios que se formaron alrededor de las primeras enanas rojas siguen ahí, aunque sus condiciones de habitabilidad pueden haber cambiado drásticamente con el tiempo. Las estrellas de tipo espectral inferior a F0-F4 apenas duran dos mil millones de años, quizás muy poco tiempo para que aparezca vida compleja en un planeta situado a su alrededor. Por contra, las enanas rojas pueden mantenerse en la secuencia principal durante decenas de miles de millones de años.

 
Izquierda: abundancia de estrellas cercanas al Sol. La mayoría son enanas rojas tipo M. Derecha: evolución temporal de las estrellas según su tipo espectral. Las enanas rojas son las más longevas.

Por estos motivos, el estudio de la habitabilidad en estos sistemas es de una gran importancia para la exobiología. Aunque Gliese 581 g no sea habitable, es un paso fundamental para estimar las posibilidades de que surja la vida alrededor de estas estrellas. Debemos tener en cuenta no obstante que la zona de habitabilidad (HZ) es un concepto muy subjetivo. Habitualmente se define como la región alrededor de una estrella donde podría existir agua líquida en la superficie de un planeta rocoso. El problema es que el agua en estado líquido sólo puede existir en una superficie planetaria bajo una atmósfera, ya que el vacío sólo permite la existencia de hielo y vapor de agua. Y es aquí cuando nos enfrentamos con el primer problema, porque debemos tener en cuenta los parámetros atmosféricos del planeta para saber si existe agua o no.

Por supuesto, puede argumentarse que este concepto de habitabilidad es muy restrictivo: podría haber vida en las regiones exteriores de los sistemas estelares -incluido el nuestro- que haga uso de metano líquido o una solución de amoníaco y agua como disolvente genérico. También puede existir agua en estado líquido si sustituimos la presión de una atmósfera por una corteza de roca o hielo, como es el caso de Europa. En esta luna de Júpiter podría existir un océano de agua bajo la corteza superficial de hielo. De hecho, en nuestro Sistema Solar, Europa -y en menor medida Encélado- son claros ejemplos de cuerpos potencialmente habitables que se encuentran a una gran distancia de la HZ del Sol. Pero la ciencia nos obliga a ser conservadores en este caso. La Tierra es el único planeta habitable -y habitado- que conocemos y debemos limitarnos a las evidencias que tenemos a nuestra disposición.

Evidentemente, parámetros tales como el periodo de rotación, composición y presión atmosférica, actividad volcánica o la inclinación del eje podrían convertir un planeta potencialmente habitable en un páramo infernal. Por eso la determinación de la HZ es tan complicada. En el caso del Sol, se considera que la HZ está comprendida entre 0,95 y 1,37 UA (unidades astronómicas) para un mundo como la Tierra. Sin embargo, si tenemos en cuenta mecanismos reguladores como el ciclo del carbono, es posible aumentar el rango de distancias de la HZ hasta 0,9-1,5 UA o más. Como veremos, la HZ en las enanas rojas está muchísimo más cerca de la estrella.


Algunos sistemas estelares que orbitan estrellas más pequeñas que el Sol o muy similares (fuente).


La habitabilidad de Gliese 581 g

Con una masa comprendida entre 3,1 y 4,3 masas terrestres, Gliese 581 g no es un planeta de "tipo terrestre" de acuerdo con la mayoría de convenciones, incluida la usada por la misión Kepler de la NASA. Según la definición más habitual, se considera un planeta de tipo terrestre todo aquel situado en la HZ y con una masa de 0,5-2 veces la terrestre (o con un radio igual a 0,8-1,3 el de la Tierra). En cambio, Gl 581g es una supertierra que presenta varios desafíos de cara a la aparición y presencia de vida. Estos problemas los podemos resumir en los siguientes puntos:

1- Acoplamiento de marea (tidal locking): la luminosidad de las enanas rojas es tan débil (0,08%-6% de la solar) que la zona habitable de estas estrellas se encuentra muy en el interior de los exosistemas, entre 0,1 y 0,2 UA, es decir, 15-30 millones de kilómetros. Estas distancias se traducen en periodos de traslación -es decir, "años"- de sólo 20-50 días. Por comparación, la órbita de Mercurio en nuestro Sistema Solar está situada a 46-70 millones de kilómetros. Además, la HZ no sólo se encuentra a corta distancia de la estrella, sino que su "grosor" es mucho menor que en estrellas más masivas, disminuyendo las probabilidades de encontrar un planeta justo en esa zona. El resultado principal de esta cercanía es que los planetas situados en la HZ de las enanas rojas seguramente se vean obligados a mostrar continuamente el mismo hemisferio hacia su estrella por efecto de las fuerzas de marea. Es lo que se conoce acoplamiento de marea, tidal locking en inglés, y es el causante de que no podamos ver la cara oculta de la Luna desde la superficie terrestre.

El tidal locking es una resonancia de tipo 1:1, es decir, por cada rotación del planeta, éste da una vuelta -un "año"- alrededor de la estrella, lo que también se conoce como spin-orbit resonance o resonancia rotación-órbita. Pero lo que a veces se suele obviar en el estudio sobre la habitabilidad de estos planetas es que existen otras alternativas. Por ejemplo, Mercurio se encuentra en una resonancia 3:2, lo que implica que gira tres veces sobre sí mismo mientras da dos vueltas alrededor del Sol. Aunque lo más probable sea que Gliese 581 g presente una resonancia 1:1, no debemos descartar tan rápidamente otras opciones, si bien es cierto que estas resonancias suelen darse en mundos cuyas órbitas presentan una excentricidad moderada, que no es el caso de Gl 581g.


La zona habitable de una estrella (banda gris) en función de su masa (tipo espectral). La línea discontinua marca el límite del tidal locking. Gl 581 g no aparece en el gráfico.

El acoplamiento de marea es el causante de que durante mucho tiempo se haya considerado como inhóspitos a los mundos situados en la HZ de enanas rojas. Con un hemisferio sumido en la oscuridad perpetua, el otro lado estaría sometido a temperaturas extremas. Este enorme rango de temperaturas dificultarían la aparición de la vida en todo el planeta salvo en las zonas próximas al terminador (la frontera día-noche o "longitudes habitables"), aunque lo más grave es que la atmósfera empezaría a congelarse sobre el hemisferio oscuro. Al condensarse parte de la atmósfera, ésta disminuiría su densidad y, con el tiempo, desaparecería casi por completo.

Estudios más recientes han demostrado que esto no tiene por qué ser así. Bastaría una atmósfera de dióxido de carbono con una presión superior a 0,1 bar para poner en marcha mecanismos de transporte convectivo que evitarían la congelación total en el hemisferio oscuro. Con esta atmósfera o una más densa, la superficie del planeta capaz de albergar agua líquida sería más extensa, especialmente si tenemos en cuenta que podrían existir masas de agua líquida bajo los casquetes de hielo del lado oscuro. Si el eje de rotación de Gliese 581 g estuviese inclinado, la zona habitable del terminador sería aún mayor. Desgraciadamente, el tidal locking tiende a eliminar cualquier inclinación tras unos cuantos gigaaños. Las simulaciones demuestran que mundos del tamaño de la Tierra situados en la HZ de una enana roja con un océano global y una atmósfera de 1 bar podría mantener temperaturas tan altas como 240 K (-30º C) en su cara nocturna y apenas unos 300 K (30º C en la diurna). Por otro lado, los vientos podrían ser relativamente moderados, unos 5-10 m/s en el terminador. El patrón de circulación atmosférica preferente partiría del punto subsolar del lado diurno (donde encotramos la máxima temperatura) hacia el lado nocturno cruzando el ecuador. Desde el punto antisolar partirían las masas frías de aire hacia las regiones polares. Por supuesto, esto es un caso ideal, pero nos demuestra que las condiciones climáticas en un mundo de este tipo, aunque extremas, no tienen que ser necesariamente incompatibles con la vida terrestre.


Simulación numérica de los vientos que presentaría un mundo -del tamaño de la Tierra y un océano global- con acoplamiento de marea en la HZ de una enana roja.

La temperatura de equilibrio de Gliese 81 g es de 228 K, pero desconocemos el albedo y el efecto invernadero de la hipotética atmósfera. Dependiendo de estos parámetros, la temperatura de equilibrio en la superficie podria ser mayor. Por ejemplo, la temperatura de equilibrio de la Tierra teniendo en cuenta su albedo es de sólo 255 K, pero el efecto invernadero sube este valor hasta los 281 K, por encima de la temperatura del punto triple del agua, aunque muy cerca de ella. Esto explica que en la Tierra podamos disfrutar de los tres estados del agua al mismo tiempo.

 
Una atmósfera un poco densa podría evitar la congelación de la atmósfera sobre el hemisferio nocturno de un planeta alrededor de Gliese 581. 

 
Fórmula para calcular la temperatura de equilibrio de un planeta. A es el albedo, L* la luminosidad de la estrella, d es la longitud del semieje mayor en UA y Tgh la temperatura debido al efecto invernadero.


2- Radiación y variabilidad: otro problema que presentan los mundos alrededor de enanas rojas es la radiación proveniente de la estrella. Pese a que las estrellas M emiten escasamente en las longitudes de onda de rayos X, la extrema cercanía de la zona habitable provoca que este factor no sea despreciable. Además, las enanas rojas presentan una mayor frecuencia de fulguraciones (flares) que podrían ser potencialmente letales para la vida. Cada fulguración puede multiplicar el flujo de rayos X y UV unas cien veces. No obstante, la presencia de una atmósfera reduciría drásticamente el flujo de rayos X en la superficie. Por otro lado, la emisión de rayos X disminuye al envejecer la estrella, por lo que no estaríamos ante un obstáculo muy serio para la vida en Gl 581g, cuya edad se cree que está comprendida entre 7 y 11 mil millones de años (aunque hay mucha incertidumbre en este dato). Más que la radiación en sí misma, un efecto más peligroso es la pérdida atmosférica por culpa de las partículas del viento estelar. Si Gl 581g presenta acoplamiento de marea, su periodo de rotación sería de 37 días, muy pequeño para que los mecanismos de dinamo tradicionales generen un campo magnético de consideración que proteja el planeta de las partículas del viento estelar.

Por último, otro factor que debemos tener en cuenta es la variabilidad de la luminosidad estelar. Aunque Gl 581 no parece ser variable a corto plazo, desconocemos su comportamiento en largas escalas de tiempo. Por ejemplo, el Sol presenta una variabilidad actual del 0,05% -prácticamente despreciable-, pero a largo plazo esta cifra puede llegar a ser del 0,2%. Además, las enanas rojas suelen desarrollar grandes manchas estelares que reducen la luminosidad de la estrella durante varios meses.

 
Actividad y luminosidad de varias enanas rojas en rayos X a lo largo del tiempo.

3- Excentricidad orbital y estabilidad orbital: una órbita muy excéntrica crearía grandes diferencias de temperatura en el clima de Gl 581g. Por suerte, el nuevo planeta tiene una órbita casi circular, así que este no es un factor preocupante. La estabilidad orbital del sistema a largo plazo sí que sería determinante para la habitabilidad. Las simulaciones numéricas realizadas hasta la fecha parecen ser optimistas e indican que el sistema es estable. El problema es que por ahora no ha habido tiempo de realizar simulaciones con los seis planetas, incluyendo los dos descubiertos recientemente.


El futuro

Por lo que hemos comentado hasta ahora, está claro que Gliese 581 g podría ser habitable. ¿Cómo podríamos estar seguros? Para determinar claramente si un mundo posee vida en su superficie, hay que realizar estudios espectroscópicos. La presencia de ozono, oxígeno o vapor de agua se consideran indicios de habitabilidad y podrá ser detectada en los espectros atmosféricos de los exoplanetas. Varios telescopios actuales ya son capaces de analizar rudimentariamente la composición atmosférica de algunos planetas exrasolares. Pero para ello, el planeta tiene que poder ser detectado por el método del tránsito. Lamentablemente, no se ha detectado ningún tránsito en el sistema de Gliese 581, así que parece que la espectroscopía no se podrá emplear en este caso. El futuro telescopio espacial James Webb tampoco será capaz de estudiar el nuevo mundo, aunque sí podría observar otros exoplanetas similares alrededor de otras enanas rojas.

A 20 años luz de la Tierra sabemos que existe un mundo que podría tener agua líquida en su superficie. Su gravedad superficial no sería excesiva (1,1-1,7 g). El sol rojizo permanecería fijo respecto al horizonte, con un tamaño aparente no mucho mayor que el de nuestra estrella visto desde la Tierra. En el cielo podríamos distinguir también a simple vista el disco de algunos de los otros planetas del sistema, casi como si fuera un sistema solar en miniatura. En un futuro no muy lejano, puede que nuestros descendientes pisen su superficie, o la de un mundo muy similar. A 20 años luz hemos encontrado por primera vez un planeta potencialmente habitable.




Referencias:

• DARWIN - A Mission to Detect and Search for Life on Extrasolar Planets, Sockel et al. (2008).
• The "Living with a Red Dwarf" Program, Guinan et al. (2009).
• The Sun in Time: Age, Rotation, and Magnetic Activity of the Sun and Solar-type Stars and Effects on Hosted Planets, Guinan et al. (2009).
• Primary and secondary eclipse spectroscopy with JWST: exploring the exoplanet parameter space, Belu et al. (2010).
• Dynamical evolution of the Gliese 581 planetary system, Beust et al. (2007).
• Atmospheric dynamics of Earth-like tidally locked aquaplanets, Merlis et al. (2009).
• Biological Damage due to Photospheric, Chromospheric and Flare Radiation in the Environments of Main-Sequence Stars, Cuntz et al. (2008).
• The far future of exoplanet direct characterization, Schneider et al. (2009).
• Habitability of planets around red dwarf stars, Heath et al. (1999).
• The Lick-Carnegie Exoplanet Survey: A Saturn-Mass Planet in the Habitable Zone of the Nearby M4V Star HIP 57050, Haghighipur et al. (2010).

Actualización 10-11-2010:

Esta entrada ha ganado el premio Experientia Docet a la excelencia en la divulgación científica. Todo un honor.