En cierto modo, encontrar exoplanetas es sorprendentemente fácil.
No hace falta necesariamente un telescopio enorme y un equipo sofisticado para detectar estos mundos alienígenas. Sin embargo, caracterizarlos (obtener información detallada sobre su tamaño, período orbital y más) suele ser más difícil.
El estudio de sus atmósferas está actualmente en la vanguardia de lo que podemos hacer, porque para ello se necesitan observatorios de última generación. Por ejemplo, los astrónomos pueden recolectar minuciosamente la luz de una estrella después de que haya pasado físicamente a través del aire de un planeta en órbita y buscar las firmas sutiles de varias moléculas que absorben parte de esa luz en longitudes de onda específicas.
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Pero no es la única forma de encontrar y examinar una atmósfera. Una investigación publicada hace unos años en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) indica otro método muy inteligente que los astrónomos podrían implementar con un futuro telescopio espacial.
Podrían buscar arcoíris exoplanetarios.
Por desgracia, no es posible ver uno directamente; Simplemente obtener una imagen en forma de puntos de un exoplaneta ya es toda una tarea. Pero, con una planificación cuidadosa, se pueden ver algunos indicadores reveladores de arco iris y otros fenómenos ópticos.
Para ser claros, ninguno de estos puede detectarse con nuestra flota de telescopios existente. Pero la NASA está desarrollando actualmente una misión llamada Observatorio de Mundos Habitables (HWO), cuyo lanzamiento está previsto para principios de la década de 2040. Este enorme telescopio tendrá un espejo colector de luz de al menos seis metros y estará afinado para buscar mundos del tamaño de la Tierra que orbiten estrellas cercanas similares al Sol en su zona habitable, la región circunestelar en la que un planeta puede contener agua líquida en su superficie.
Utilizando las capacidades de HWO como base, los astrónomos responsables de ese artículo del MNRAS investigaron las perspectivas de detectar fenómenos atmosféricos como el arco iris, la dispersión de Rayleigh y la luz solar en exoplanetas.
Resulta que observar tales cosas es esencialmente una cuestión de perspectiva: todas pueden revelarse a medida que un exoplaneta pasa por fases mientras orbita su estrella anfitriona, tal como lo hace la Luna cuando orbita la Tierra. Cuando el planeta está entre su estrella y nosotros, estamos mirando su mitad oscura y no iluminada (su fase “nueva”). A medida que orbita y parece alejarse de la estrella, exhibe una fase creciente, que crece hasta parecer medio llena en su separación más lejana y luego se llena cuando está en el lado opuesto de la estrella desde nuestro punto de vista. Luego, las fases ocurren en orden inverso a medida que se mueve alrededor de la estrella y regresa a su posición original de “nueva fase”. Con un telescopio como el HWO, no veríamos esas fases directamente, sino que las registraríamos como cambios periódicos de brillo a medida que el exoplaneta objetivo aumenta y disminuye.
Los fenómenos atmosféricos potencialmente detectables por HWO dependen de esas fases y del ángulo entre el planeta, su estrella y el observatorio y, por tanto, se ven mejor en diferentes momentos de la órbita del planeta.
De estos, el brillo solar es el más simple: es simplemente el reflejo del sol en una masa de agua, como un lago o un océano. La superficie del agua actúa exactamente como un espejo, haciendo rebotar la luz solar entrante en un ángulo opuesto al sol. Puedes comprobarlo tú mismo en la playa cuando el sol está bajo, con el brillante reflejo visible justo debajo del sol en el agua. Esto también se ha visto desde la órbita muchas veces en fotografías de la Estación Espacial Internacional y, de hecho, fue visto por la nave espacial Cassini en Saturno cuando la luz del sol se reflejaba en lagos de metano líquido en su enorme luna Titán.
La luz solar se ve cuando el ángulo entre el sol, el agua y el observador es muy bajo, como al amanecer o al atardecer. En el caso de un exoplaneta, ocurre cuando el planeta está casi entre la estrella y la Tierra. Desde nuestro punto de vista, el planeta, si pudiéramos verlo con claridad, estaría en fase creciente.
En su artículo MNRAS, los astrónomos descubrieron que en las observaciones proyectadas de HWO, el destello agregaría un pequeño pero significativo aumento en el brillo de algunos planetas en la fase creciente o cerca de ella. Y debido a que el agua y la mayoría de los demás líquidos no pueden persistir en la superficie de un planeta sin una capa aislante de aire, ver ese destello también podría indicar la presencia de una atmósfera.
Los arcoíris en la Tierra ocurren cuando la luz del sol pasa a través de las gotas de lluvia. Diferentes colores de luz rebotan dentro de las gotas en diferentes ángulos, por lo que cuando emergen se extienden. Cuando estamos con el sol a nuestras espaldas, las gotas a las que nos enfrentamos envían esa luz hacia nosotros ordenada por color, creando un arco prismático característico en el cielo: un arco iris.
Si esto ocurre en un exoplaneta, no podremos verlo directamente. Sin embargo, la luz del arco iris está polarizada. Esto significa que todas las ondas se alinean. (Por ejemplo, oscilan hacia arriba y hacia abajo o hacia la izquierda y hacia la derecha). Es probable que HWO lleve un polarímetro, un instrumento diseñado para dejar pasar sólo la luz alineada en una dirección, y los autores del artículo modelaron lo que podría ver. Si un exoplaneta está en la fase correcta, el polarímetro de HWO debería poder detectar el aumento adicional en la luz polarizada de posibles arcoíris (y fenómenos relacionados como glorias, que se han detectado en otros planetas). La cantidad de polarización también puede revelar qué tan grandes son las gotas de lluvia que forman el arcoíris y posiblemente incluso su composición.
La dispersión de Rayleigh ocurre cuando la luz solar entrante rebota en moléculas como el nitrógeno en la atmósfera de la Tierra y hace que nuestro cielo sea azul. Esta dispersión también polariza la luz; la cantidad de polarización vista depende del ángulo de la luz entrante con respecto al observador.
¡Puedes comprobar este efecto por ti mismo en un día claro y soleado! Las gafas de sol polarizadas son esencialmente polarímetros básicos. Tienen filtros con moléculas todas alineadas en una dirección (generalmente verticalmente); la luz polarizada verticalmente pasa a través de ese filtro como una llave en una cerradura, mientras que la luz polarizada en otra dirección (digamos, horizontalmente) no lo hace. La dispersión Rayleigh del cielo provoca la polarización más fuerte de la luz solar a 90 grados del sol: si giras tus gafas de sol mientras miras a través de ellas, verás que el cielo se oscurece significativamente mientras lo haces: las gafas de sol bloquean la luz cuando el ángulo de polarización de la luz no coincide con el de las gafas de sol. Más cerca del sol (¡aunque tenga cuidado y no mire demasiado cerca!) este efecto es mucho menor. Este es el efecto que los astrónomos pueden aprovechar utilizando HWO para buscar signos de la atmósfera de un exoplaneta.
Basándose en simulaciones que utilizan datos de estrellas reales que HWO podría estudiar, el equipo de científicos descubrió que las señales de polarización de los arcoíris y los destellos solares deberían ser detectables en una fracción decente de los pequeños y cálidos mundos rocosos que los acompañan, mientras que la dispersión de Rayleigh se registraría en la mayoría de ellos, es decir, suponiendo que tengan atmósferas. Ése es el punto: queremos optimizar la capacidad del HWO para detectar aire en mundos alienígenas, y la búsqueda de estos fenómenos ópticos realmente le daría un impulso.
Un cielo azul, un arco iris después de una tormenta y el sol reflejándose en el océano son imágenes que damos por sentado aquí en la Tierra. Pero pueden ser omnipresentes en planetas de todo el cosmos. Si lo son, es posible que estemos a punto de poder detectarlos.