Una cálida tarde de Florida y mi familia y yo estábamos en Cocoa Beach, mirando hacia el norte hacia la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral. Formamos parte de una multitud junto al mar reunida para presenciar el lanzamiento del telescopio espacial Kepler de la NASA. Cuando apareció la bola de fuego y lentamente comenzó a elevarse en la distancia, vitoreamos con nuestros compañeros observadores. Aproximadamente 30 segundos después, sentimos el suelo retumbar y oímos el rugido profundo, viendo el cohete Delta II subir al cielo nocturno y acelerar mientras se dirigía hacia el océano.

Kepler pasó nueve años en el espacio profundo en busca de vecinos galácticos como nosotros:planetas del tamaño de la Tierra que orbitan estrellas similares al Sol. Kepler observó un parche de la Vía Láctea que incluía millones de estrellas. Transmitió datos sobre casi 200, 000 de ellos y encontraron más de 2, 300 exoplanetas:planetas fuera de nuestro sistema solar.

"Con datos de Kepler, tenemos información más precisa y detallada que nunca antes, "dice el astrofísico Eric Ford, que formaba parte del equipo científico de Kepler. Ford y sus colegas del Centro de Exoplanetas y Mundos Habitables de Penn State están construyendo sobre el legado del profesor Evan Pugh Alex Wolszczan, quien descubrió los primeros exoplanetas conocidos en 1992 utilizando encuestas de instrumentos terrestres. "Kepler encontró miles de planetas, "Dice Ford." A los astrónomos les encantaría saber más sobre todos ellos, pero no hay suficiente tiempo de telescopio. Dado que la gente está particularmente interesada en aprender más sobre aquellos que pueden parecerse a la Tierra, planeamos concentrarnos en caracterizar planetas en las zonas habitables de sus sistemas planetarios ".

La zona habitable es una región dentro de un sistema solar, una distancia no demasiado cercana ni demasiado lejos del sol, donde un planeta tendría las condiciones necesarias para tener agua líquida en su superficie. un requisito importante para la existencia de vida basada en el carbono tal como la conocemos. James Kasting, Profesor Evan Pugh de Ciencias de la Tierra, fue uno de los primeros desarrolladores del concepto. La temperatura de la superficie del planeta debe estar por encima del punto de congelación del agua y por debajo del punto de ebullición. También entran en juego otras condiciones, incluida la masa del planeta, rotación, y ambiente. Entre los exoplanetas de Kepler que se han analizado hasta ahora, se considera que varias decenas se encuentran en la zona habitable de su estrella.

Eric Ford, miembro del equipo científico de Kepler, estudia cómo se forman y evolucionan los planetas, tanto en nuestro sistema solar como en otros. Muchos de los sistemas encontrados por Kepler son muy diferentes al nuestro, planteando nuevas preguntas sobre cómo se desarrollan los sistemas planetarios y por qué ocurren en formas tan diversas. El instrumento Kepler recibió su nombre del astrónomo alemán Johannes Kepler, quien a principios del siglo XVII formuló tres leyes del movimiento planetario.

Cómo encontrar un exoplaneta

En su búsqueda de exoplanetas, la misión Kepler empleó el método de tránsito, utilizando tecnología similar a una cámara digital para detectar y medir pequeñas caídas en el brillo de una estrella cuando un planeta cruza frente a la estrella. Con observaciones de planetas en tránsito, los astrónomos pueden calcular la relación entre el radio de un planeta y el de su estrella, esencialmente el tamaño de la sombra del planeta, y con esa relación pueden calcular el tamaño del planeta. "Conocemos el tamaño de miles de planetas gracias al método de tránsito, "Dice Ford.

Aunque su electrónica alimentada por energía solar podría seguir funcionando durante mucho tiempo, este pasado otoño, Kepler se quedó sin el combustible de hidracina necesario para orientarse con precisión, y la NASA retiró la nave espacial. Ahora está a 94 millones de millas de distancia en una órbita que sigue a la Tierra alrededor del Sol. Pero la misión produjo suficientes datos para mantener ocupados a los astrónomos durante los próximos años. Y ahora, una nueva misión de la NASA se está expandiendo en el censo de exoplanetas de Kepler al apuntar más cerca, estrellas más brillantes.

TESS (Satélite de reconocimiento de exoplanetas en tránsito), que se lanzó el pasado mes de abril, está escaneando casi todo el cielo, un parche a la vez, buscando planetas en tránsito alrededor de las estrellas más cercanas. Mientras que las estrellas típicas observadas por Kepler eran de 300 a 3, 000 años luz de distancia (un año luz equivale aproximadamente a seis billones de millas), TESS está mirando estrellas que están a solo decenas de años luz de distancia. Y en lugar de pasar años mirando un trozo de cielo, como hizo Kepler, TESS cambiará su vista de un parche de cielo a otro.

Usando observaciones TESS de estrellas más brillantes, en promedio de 30 a 100 veces más brillantes que las estrellas encuestadas por Kepler, los astrónomos podrán inspeccionar planetas más de cerca y hacer observaciones de seguimiento con mayor facilidad. "Con TESS, nos estamos enfocando en buscar planetas alrededor de estrellas que estén más cerca de nosotros, ya que podremos caracterizarlos de manera más eficiente, "Dice Ford. Los datos de TESS proporcionarán información sobre el tamaño de un planeta y el período orbital, y las observaciones de seguimiento con otros instrumentos permitirán a los investigadores medir las masas y describir las atmósferas de estos planetas.

Pero tan valioso como es el método de tránsito para los estudios planetarios, tiene sus limitaciones. "Los tránsitos solo te permiten ver planetas que se cruzan entre nosotros y la estrella que estamos mirando, "explica la astrofísica Fabienne Bastien." Las velocidades radiales nos permiten ver sistemas planetarios en otras orientaciones ".

También se llama espectroscopia Doppler, El método de velocidad radial basado en tierra fue en realidad la primera técnica para detectar exoplanetas alojados por estrellas similares al Sol. Se basa en el hecho de que una estrella se tambalea ligeramente en respuesta al tirón gravitacional de un planeta en órbita. Estos pequeños movimientos afectan el espectro de luz de la estrella, o firma de color. A medida que la estrella se aleja ligeramente de un observador, la longitud de onda de su luz se alarga ligeramente, desplazándose hacia el extremo rojo del espectro. A medida que el planeta en órbita tira de la estrella ligeramente hacia el observador, la luz de la estrella cambia hacia el azul. A través de observaciones repetidas de cambios en el espectro de la estrella, los investigadores pueden calcular la masa del planeta.

Bastien, cuya investigación se centra en las estrellas anfitrionas de los sistemas planetarios, combina datos de tránsito con estudios de velocidad radial para aprender más sobre soles distantes. "Estos soles tienen manchas y llamaradas y todo tipo de actividad que puede imitar o enmascarar una señal de exoplaneta, ", dice." Gran parte de mi trabajo consiste en desenredar la señal planetaria de la señal estelar, para que podamos confirmar que en realidad es un planeta lo que estamos viendo. Penn State ya es una potencia de velocidad radial, y estoy entusiasmado con dos nuevos espectrógrafos que son mucho más sensibles que los que hemos tenido hasta la fecha y que harán avanzar drásticamente nuestros estudios ".

Estos nuevos de clase mundial, espectrógrafos de alta sensibilidad, construido por un equipo de Penn State dirigido por el astrofísico Suvrath Mahadevan, están a punto de cambiar el panorama de la velocidad radial. Medirán velocidades radiales con extrema precisión para caracterizar planetas de baja masa en o cerca de las zonas habitables de sus estrellas. Un espectrógrafo está diseñado para el estudio óptico de estrellas cercanas como el Sol, y el otro para detectar más frío, más débil estrellas de menor masa que utilizan luz infrarroja.

"No puedo esperar para usar estos espectrógrafos para explorar algunas ideas que tengo para encontrar exoplanetas habitables, " Bastien says. "I want to start a planet search around some stars that haven't received much attention because they're too noisy—there are complicating factors around them that make them difficult to study. The group here is enthusiastic and collaborative and open to new ideas, so there are all sorts of possibilities."

Fabienne Bastien studies the host stars of planetary systems. It's fairly easy to find a star, but knowing whether it has planets orbiting around it is much harder. Two approaches Bastien uses are the transit method and the radial velocity method.

All planetary systems are not alike

As researchers learn more about potential habitable zones of distant solar systems, they also want to learn about how those systems might have formed and evolved. That's the research focus of astrophysicist Rebekah Dawson. "It's an exciting time because so many new planets have been discovered in other solar systems and they're very different from the planets in our solar system, " she says. "Exoplanet discoveries forced us to change our understanding of solar system and planet formation."

Por ejemplo, Kepler found a lot of planets with sizes between that of Earth and Neptune (about four times Earth's diameter), that are as close to their stars as Mercury is to the Sun, or even closer. "These planets are common in other planetary systems, and we have nothing like them in our solar system, " Dawson says. "So we're going back to the drawing board with some of our theories for how planets form and what happens early in planetary systems, now that we don't have just our solar system to judge these theories against."

Dawson's research on planetary systems can in turn inform and provide context for studies of individual planet formation. By understanding what might have been happening early on in a planetary system, she and her colleagues can develop theories about how planets might form in that system. Por ejemplo, as giant planets gravitationally interact with each other, they could be sending asteroids and comets into regions where terrestrial planets are forming, and that could influence the composition of those planets.

Among Dawson's research interests are hot Jupiters, some of the first exoplanets ever discovered. Similar in mass to our Jupiter, these giant gas planets are much closer to their sun than Jupiter is to our Sun. They complete an orbit in three to four days. "That's not where we expected to find giant gas planets in their solar systems, " Dawson says. "We're trying to understand their origin and how they could be so close to their star. One theory is that after these hot Jupiters formed, they were put into an extremely elliptical orbit that would bring them close to their star, and then tidal friction—tides raised on the Jupiter by the star—caused the orbit to shrink and become more circular.

"I sometimes think of a planetary system as an ecosystem that could support a potentially habitable planet, and we have to understand how the whole thing functions to really understand if that planet is habitable and what its formation history is, " Dawson continues. "When we started to learn about those hot Jupiters and how their orbits might have been altered, that has implications for the rest of the planetary system. If that were happening, it would probably wipe out any planets in between the hot Jupiter and the star, so that region wouldn't be a likely place to find a habitable planet"—even if it's the right distance from the star to be in the habitable zone.

Rebekah Dawson studies how planetary systems formed and evolved. Kepler has revealed that many of the planets in other systems are very different from the planets in our own solar system, and that just because a planet is in a system's habitable zone doesn't mean that it is habitable.

¿A dónde vamos desde aquí?

Fabienne Bastien recalls the sense of wonder she felt when, as a graduate student, she heard Kepler scientist Natalie Batalha speak of her own realization that the stars we see at night are more than distant suns. "Now we know that they're not just stars, they're planetary systems, " she says—each one potentially home to habitable worlds.

With everything astronomers have learned about that potential, there's still much that remains a mystery. Current methods are just beginning to characterize the atmospheres of exoplanets and determine whether a planet in the habitable zone might have a surface that is conducive or hostile to life. Recent progress gives scientists a better idea of what questions to ask and what kinds of instruments are needed to address them.

"When astronomers have just discovered a planet, we could say it's potentially habitable, but that is more a statement of our limited knowledge than of the properties of the planet, " Ford says. "We want to design a hypothesis that is testable through observations we're able to make. If we can find 100 rocky planets in the habitable zone and characterize their atmospheres to look for water and biomarkers, then we might find some really fascinating planets—but there's also the possibility that we conclude that none of them are suitable for Earth-like life."

One long-term goal for astronomers is direct detection of exoplanets, rather than having to infer their existence through transit or radial velocity studies. Dawson is now serving on a team laying the groundwork for a Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), a multi-wavelength space observatory concept being studied by NASA's Goddard Space Flight Center. LUVOIR is envisioned to be a twelve- to fifteen-meter diameter telescope that would operate about a million miles from Earth. It would allow scientists to recognize planets directly, as small bright bodies against the dark of space. Once a planet is identified, other techniques could then be used to measure its mass and examine other important features.

As researchers look to new technologies such as the new spectrographs, LUVOIR, and other future missions, they're optimistic that one day we'll know whether our solar system is a rare phenomenon or if life does indeed exist on other planets.

"If you think about it, it's amazing that Earth has both continents and oceans, as well as an atmosphere and climate that sustain life, " Ford says. "Is that significant? Is it just the right balance? Is Earth a great coincidence or does planet formation often produce similar planets?"

"Before exoplanets were discovered, I think a lot of us expected every planetary system to look like the solar system, or we thought most stars don't have planets, " Dawson adds. "But instead, what we're seeing is that most stars do have planets, and a lot of these planetary systems are very different from our solar system. Does that make the solar system unusual? We don't know yet. Despite our best instruments and technology, we're still only looking in our own little neighborhood of the galaxy.

"Afortunadamente, I don't think we necessarily need to look at all the stars in the galaxy to know whether our solar system is unusual. And every time there's a new mission or a new instrument that can do something different or dramatically improve the quality of data, there's something surprising that keeps us excited."