TRAPPIST-1. El sistema, ¿perfecto?

TRAPPIST-1. El sistema estelar, ¿perfecto?



Representación artística de los 7 planetas de TRAPPIST-1 y sus posibles características
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El problema del punto de vista

Creo que todos podemos apreciar lo difícil que puede ser entender las cosas mirándolas desde un sólo punto de vista, en particular si ese punto de vista está dentro de la cosa misma. En astronomía este precepto se cumple de manera contundente.

Cuando en el año 1610 Galileo observó esa cinta lechosa que atravesaba el cielo, pudo comprobar que en realidad se componía de miles de estrellas.

En 1755 Inmanuel Kant teorizó que la Vía Láctea era un sistema formado por miles de sistemas solares como el nuestro, agrupados en una estructura de orden superior y de características similares a las de los sistemas planetarios, sensiblemente plana, de forma elíptica, en movimiento de rotación alrededor de un centro y regida por la misma mecánica celeste. 

Entonces, desde un planteamiento teórico, era lógico suponer la existencia de planetas y satélites orbitando alrededor de las estrellas, y a su vez la existencia de otras «Vías Lácteas» separadas de la nuestra, a las que Kant llamó «universos isla».

Recién en 1930 se pudo comprobar que la forma de nuestra galaxia correspondía al tipo espiral. Y sólo hace muy pocos años que el telescopio espacial Spitzer nos reveló que nuestra galaxia no es una espiral simple sino una barrada.

Galaxia similar a la nuestra fotografiada por el telescopio espacial Hubble.
La vía láctea tendría la barra menos prominente y las brazos más ramificados

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Otro problema de la astronomía, además del punto de vista, es que lo más brillante en el cielo no es lo más cercano. Entonces durante siglos hemos visto a simple vista objetos distantes que se encuentran a centenares de años luz, pero que por sus enormes dimensiones y brillo nos han impedido ver otros objetos mucho más cercanos. Uno de estos objetos relativamente cercanos que hasta hace poco no veíamos son las estrellas enanas rojas. Estas estrellas son mucho más pequeñas y menos brillantes que nuestro sol, pero resultan ser el tipo de estrella más abundante en el cosmos. Esto recién se pudo comprobar en la era de los telescopios espaciales, desde 1990 en adelante. Incluso varias de las estrellas más cercanas al sistema solar son de este tipo y fueron descubiertas recientemente.

Próxima centauri, la estrella más cercana al sol es una enana roja.
Fotografiada por el telescopio espacial Hubble

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Volviendo a Kant, él postuló que cada estrella sería un sistema planetario, pero hasta hace muy poco tiempo no teníamos ninguna forma de comprobarlo. Actualmente existen media docena de métodos de detección de planetas, pero el método que mayor cantidad de planetas ha descubierto es el del tránsito. Este método consiste en medir la disminución del brillo de la estrella mientras el planeta pasa delante de ella. Tiene la gran ventaja de que puede dar resultado incluso con telescopios relativamente modestos, pero tiene el gran defecto, y aquí volvemos al comienzo, del punto de vista. Y es que para que un planeta pueda ser detectado tiene que pasar delante de su estrella desde «nuestro» punto de vista. Dicho de otra forma, las órbitas de los planetas de un sistema determinado tienen que estar de canto a nuestra posición en el cosmos. Aún así con el método de tránsito se han descubierto ya varios miles de planetas, lo que nos permite sacar la conclusión de que la mayor parte de las estrellas que vemos, incluso quizás todas, tienen planetas orbitando a su alrededor.

Una vez que los científicos comprobaron que los planetas son más abundantes que las estrellas mismas, ya que cada estrella tiene varios planetas, la cuestión fue tratar de investigar que ocurría en las estrellas más cercanas a nuestro sistema solar. ¿Tendrían planetas? La respuesta se presumía positiva, entonces ¿cómo serían esos plantas?


TRAPPIST-1

Resulta ser que la mayor parte de las estrellas cercanas son enanas rojas, y que este tipo de estrellas son particularmente aptas para descubrir planetas en ellas por el método de tránsito, ya que su bajo nivel brillo hace que el paso de un planeta del tamaño de la tierra delante de una de ellas produzca una reducción de su luminosidad que es detectable por los instrumentos de medición actuales. Y así fue que en varias de las enanas rojas cercanas se han descubierto planetas de tamaño similar al de la tierra.

El más notable de estos descubrimientos fue el que realizó el telescopio TRAPPIST  (Transiting planets and smallplanets with a small telescope), ubicado en el observatorio astronómico de La Silla en el desierto de Atacama en Chile, perteneciente a ESO (European Southern observatory).

Con este pequeño telescopio de sólo 0.6 metros de diámetro, se logró descubrir por el método de tránsito, al menos 3 planetas de tamaño terrestre en órbita de una estrella del tipo enana roja a 39 años luz de la Tierra.

Lo notorio de este descubrimiento provocó que los grandes telescopios en tierra y los telescopios espaciales Spitzer y Hubble apuntaran al sistema ahora llamado TRAPPPIST-1 en busca de mayores precisiones.

El trabajo conjunto determinó que existen al menos 7 planetas en órbita de esta estrella, pudiéndose determinar con precisión sus periodos orbitales, masas y radios. Se los denomina TRAPPIST- B, C, D, E, F, G, y H.

Representación artística de los 7 planetas de TRAPPIST-1 y sus posibles características
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Los planetas D, E y F se encuentran dentro de la zona en donde el agua podría existir en estado líquido lo que determina una de las condiciones básicas para la presencia de vida tal como la conocemos.

El tamaño de los planetas varía desde 0.78 el radio de la Tierra hasta 1.14 radios terrestres.

Las masas de los planetas respecto del diámetro indican que son planetas rocosos con excepción de los dos más pequeños, el D y el H, cuyas densidades los convierten en candidatos a ser mundos acuáticos, es estado líquido en el caso del planeta C, y helado en caso del planeta H.

Un estudio complementario hecho por el telescopio espacial Hubble determinó que los planetas no contienen atmósferas basadas en el hidrógeno, lo que determina que los planetas no son gaseosos.

Un ítem negativo del sistema es que las estrellas de tipo enanas rojas son inestables en cuanto a la emisión de rayos UV. No es posible predecir como pueden afectar esas emisiones a las posibles atmósferas de los planetas.

Un problema a resolver es que debido a lo pequeño que es el sistema respecto del nuestro, es altamente probable que los planetas estén acoplados gravitatoriamente a la estrella. Este fenómeno, que es el que ocurre entre la luna y la Tierra o entre Júpiter y sus cuatro lunas principales, hace que los planetas muestren siempre la misma cara a la estrella, lo que provocaría un hemisferio muy cálido y otro mucho más frío. Resulta muy difícil de predecir cómo podría afectar el acoplamiento gravitatorio al clima de las probables atmósferas, aunque se podrían producir zonas de penumbra permanente en donde las temperaturas fueran intermedias.

El sistema TRAPPIST-1 resulta ser hoy por hoy el sistema estelar mejor conocido, y en el que mayor cantidad de planetas se han descubierto. Es un campo en el que muchos tienen puestas sus miradas, lo que lo convertirá en lugar de más descubrimientos en el futuro próximo.


Resonancias orbitales

Los periodos orbitales muestran lo compacto que es el sistema y lo próximos que se encuentran los planetas unos de otros. El planeta B da una vuelta alrededor de la estrella en 1.51 días terrestres, el C en 2.42 días, el D en 4.04 días, el E en 6.09 días, el F en 9.2 días, el G en 12.35 días, y el H en 18.7 días. Pero lo más sorprendente de todo es que los 7 planetas del sistema TRAPPIST-1 conforman una resonancia orbital increíblemente compleja.

En mecánica celeste, una resonancia orbital es cuando los cuerpos en órbita ejercen una influencia gravitacional periódica y regular entre sí, generalmente debido a que sus periodos orbitales están relacionados por una proporción de números enteros pequeños.

Por ejemplo, en nuestro sistema solar Júpiter y Saturno tienen una resonancia orbital 5:2. Esto quiere decir que cuando Júpiter da 5 vueltas al sol, Saturno da 2.

Otro ejemplo, el único que conocíamos hasta ahora que involucraba a 3 cuerpos distintos, es el de los satélites de Júpiter. Cuando Ganímides completa una órbita, Europa completa 2, y por su parte Io completa 4, lo que se convierte en una resonancia de relación 1:2:4

En el sistema TRAPPIST-1 las cosas son más complejas. Las resonancias orbitales individuales del sistema son 8/5, 5/3, 3/2, 3/2, 4/3 y 3/2, esto quiere decir que:

Cuando el planeta B da 8 vueltas el C da 5 vueltas.

Cuando el planeta C da 5 vueltas el D da 3 vueltas.

Cuando el planeta D da 3 vueltas el E da 2 vueltas.

Cuando el planeta E da 3 vueltas el F da 2 vueltas.

Cuando el planeta F da 4 vueltas el G da 3 vueltas.

Cuando el planeta G da 3 vueltas el H da 2 vueltas.

Esta es la serie más larga y compleja de resonancias orbitales que se conoce.

La serie completa sería 24:15:9:6:4:3:2

A su vez se podría subdividir en dos series de 8:5:3:2, entre B, C, D y E, y de 6:4:3:2 entre E, F, G, H.

Todo esto parece una casualidad matemática, ¿lo será? ¿Existirán otros sistemas estelares en donde este tipo de relaciones se repitan? ¿Será algo relativamente común en los sistemas de las enanas rojas, donde sus reducidas dimensiones provocan mayores resonancias orbitales?

Estas respuestas se irán respondiendo con el tiempo, un tiempo que lamentablemente, en muchos casos, irá más allá de la presente generación, aunque los descubrimientos de planetas de los últimos diez años nos entusiasmen y nos hagan creer que la astronomía está avanzando más rápido que antes.


Resonancias orbitales, ¿musicales?

La universalidad del sistema estelar TRAPPIST-1 va más allá de una simple sincronización en las órbitas de los planetas. Resulta ser que esa sincronización es la misma que existe entre las diferentes notas musicales. ¿Cómo? De esta forma:

Para hacerlo más entendible vamos a reemplazar las denominaciones de los planetas, que empiezan por la letra B (para el planeta más cercano a la estrella) hasta la H (el más lejano). Y en el segundo gráfico vamos a empezar por la letra A, hasta llegar a la G, tal como se denomina a las notas musicales en inglés.

En el tercer gráfico vamos a reemplazar los valores en dónde la relación es 1/1 por el valor 432, que equivale a la nota LA en 432 hertz, que es el que se usa universalmente para afinar los instrumentos musicales.

Si luego rellenamos los casilleros con los valores correspondientes según las resonancias orbitales de los planetas de TRAPPIST-1 obtendremos casi todas las notas musicales, no sólo las notas puras sino también los sostenidos y bemoles. Sólo falta uno de los doce semitonos, RE#, que parece ser una especia de nota prohibida del sistema TRAPPIST-1.

Todos los que alguna vez hemos hecho algo de música, sabemos que el RE sostenido es la nota menos usada de todas. Quizás esto no sea así para todos los instrumentos ni para todos los tipos de música, pero al menos en el ámbito de la música popular donde prevalecen las guitarras que tienen como primera nota el MI, el RE sostenido es la última nota, y es una especia de patito feo de las melodías. ¿Tendrá algo que ver con su ausencia en las resonancias de TRAPPIST-1?

De una forma u otra el sistema TRAPPIST-1 resulta, al menos de momento, el sistema estelar más interesante que haya sido descubierto hasta el momento. Además de sus complejas resonancias orbitales, es el único sistema que podría tener, en el caso más optimista, 3 de sus planetas dentro de la zona en la que el agua se mantiene en estado líquido, y en el caso menos optimista tendrá uno de ellos en la zona habitable. El siguiente paso será descubrir si alguno de estos planetas tiene atmósfera. Habitualmente en astronomía para dar un paso tan grande suele haber que esperar largos periodos de tiempo, a veces, hasta que pequeñas sondas recorran los grandes espacios abiertos de cosmos.

En este caso está prometido para Octubre de 2021 el lanzamiento del nuevo telescopio espacial James Webb, del cual se espera sea capaz de obtener imágenes directas de los planetas e incluso caracterizar sus atmósferas.

Futuro telescopio espacial James Webb

Un poco más tendremos que esperar para que esté en funcionamiento el Extremely Large Telescope de ESO (European Southern Observatory), actualmente en construcción en el cerro Armazones en Chile. Se espera que esté listo en 2025 y que también pueda proporcionar un gran avance en el estudio de planetas más allá de nuestro sistema solar.

Extremely Large Telescope, actualmente en construcción

Con ambas herramientas, el telescopio espacial James Webb y el Extremely Large Telescope, tendríamos que ser capaces de dilucidar las incógnitas que hoy nos plantea el sistema TRAPPIST-1 y otros sistemas estelares recientemente descubiertos.

Aunque seguramente, y como siempre, muchos más interrogantes se abrirán al mismo tiempo.


Fernando Fontenla Felipetti - 3 de Noviembre de 2020