Descubriendo exoplanetas mediante auroras estelares

Vivimos tiempos emocionantes para la búsqueda de planetas fuera de nuestro Sistema Solar. En apenas 25 años hemos pasado de no dar crédito a la existencia de planetas en torno a otras estrellas a contar por miles los sistemas planetarios conocidos. Algunos de esos sistemas son versiones en miniatura del Sistema Solar; otros tienen planetas tan cerca de la estrella que su temperatura nunca baja de miles de grados. En unos pocos casos hemos podido incluso medir cómo se distribuyen las temperaturas en la superficie del planeta y dibujar mapas muy crudos; mapas térmicos, pero mapas al fin y al cabo.

Y a pesar de todos estos éxitos la búsqueda de exoplanetas sigue siendo una tarea dificilísima. Las estrellas siempre son mucho más brillantes que los planetas, y éstos están tan cerca de ellas que suele ser imposible obtener una imagen del sistema planetario. Todas estas cosas que hemos dicho las averiguamos jugando de forma ingeniosa con la luz que llega hasta la Tierra, aprovechando que una pequeña fracción de esa luz no viene de la estrella, sino del planeta, y extrayendo de ella toda la información que podemos. Pero, con todo y con ello, lo que no podemos hacer es milagros. Estudiar un exoplaneta es mucho más fácil si pasa por delante de la estrella y nos tapa un poco de su luz, y se vuelve más y más complicado si esto no ocurre.

Por eso siempre es buena noticia que aparezca un nuevo método para encontrar exoplanetas. Y esto es lo que acaba de anunciar una colaboración internacional de científicos en la revista Nature Astronomy.

Escuchar a las estrellas en radio

La idea es, en principio, sencilla: si la estrella es tan brillante que nos deslumbra tratemos de buscar los planetas en una longitud de onda en que la estrella sea oscura y el planeta brillante. Fácil, aparentemente, pero en la práctica delicado. La mejor opción quizá sea tratar de observar el sistema planeta-estrella en ondas de radio. Las estrellas no son, en general, muy brillantes en radio, salvo unas pocas que sufren procesos violentos o que giran extremadamente rápido. Los planetas, en cambio, tienen una manera muy natural de brillar en radio: las auroras.

Una aurora no es otra cosa que partículas expulsadas por una estrella (sobre todo protones y electrones) que al llegar a un planeta chocan con su atmósfera y la hacen brillar. Si el planeta tiene campo magnético, como la Tierra, éste atrapa las partículas y las acelera, estrellándolas con más fuerza contra la atmósfera. Esto ocurre con más intensidad en las regiones polares, que es adonde “apunta” el campo magnético, y por eso las auroras se ven más fácilmente en Noruega que en España.

Todo este movimiento de partículas alrededor del planeta genera una buena cantidad de ondas de radio, con unas propiedades características que hemos estudiado no sólo en la Tierra, sino también en otros planetas del Sistema Solar. Así pues, tendría sentido buscar estas emisiones de radio en planetas alrededor de otras estrellas: la estrella sería relativamente silenciosa en este canal y los planetas podrían llegar a ser muy estridentes, según la cantidad de partículas que tenga disponibles y la intensidad de su campo magnético.

Lamentablemente, cuando vamos al papel y nos hacemos los cálculos nos encontramos con un chasco: las emisiones de la mayoría de los planetas no pueden llegar a la superficie terrestre. La ionosfera de nuestro planeta actúa como una especie de “espejo” para las ondas de radio de baja frecuencia, y la mayoría de los planetas emitirían en estas frecuencias. Sólo algunos planetas gigantes, con campos magnéticos muy intensos, podrían ser visibles desde la superficie de la Tierra; al resto, por muy brillantes que sean, estamos ciegos. Para verlos necesitaríamos un observatorio de radio de baja frecuencia en el espacio, pero por ahora no tenemos ninguno.

Parece, pues, que esta idea de la radio nos ha llevado a un callejón sin salida. ¿Deberíamos abandonarla? Todavía no.

Un ejemplo cercano: Júpiter y sus lunas

Una mirada a uno de nuestros vecinos planetarios nos puede dar una pista de por dónde debemos continuar: echemos un vistazo a las auroras de Júpiter, el gigante del Sistema Solar. Júpiter es tan grande que tiene un señor campo magnético y, como es lógico, eso produce unas bonitas auroras en sus polos. Pero estas auroras tienen algo que no vemos en la Tierra: tres puntos que se mueven, dando vueltas en torno al polo magnético.

Estos “puntos aurorales” son producidos por las lunas de Júpiter. El campo magnético de Júpiter no sólo es intenso, sino que también es extenso, y engulle las órbitas de las cuatro lunas más grandes, los satélites galileanos. Cuando estas lunas se mueven a través del campo magnético de Júpiter lo perturban, como si fueran patos que nadan en la superficie de un estanque. Ío, la luna más interna, está rodeada de polvo que expulsan al espacio sus más de 400 volcanes; Ganímedes, la luna más grande, tiene su propio campo magnético. Por una razón o por otra, cuando estas lunas atraviesan el campo magnético de Júpiter dejan en él una impronta, una estela. Estas estelas son transportadas por el campo magnético hasta los polos del planeta, donde chocan con la atmósfera y generan esos puntos luminosos, que giran en torno al polo sincronizados con las lunas.

¿Cómo nos puede ser esto de ayuda en nuestra búsqueda de exoplanetas? Bueno, si tenemos exoplanetas muy cercanos a su estrella, lo suficiente como para estar “surcando” el campo magnético de la estrella de la misma forma que lo hacen las lunas de Júpiter… ese planeta también va a generar un punto auroral, pero esta vez en la estrella. El planeta va a generar una aurora estelar.

Como toda aurora, esos puntos generados por los planetas en el polo de la estrella van a emitir ondas de radio. Y esta vez estamos de suerte: los campos magnéticos de las estrellas son mucho más intensos que los de los planetas, así que esas ondas de radio sí van a atravesar la ionosfera de la Tierra. Esos puntos aurorales sí deberíamos poder verlos.

Una detección preliminar

Eso, precisamente, es lo que se acaba de anunciar en el artículo publicado hace unos días: la detección de ondas de radio compatibles con una aurora estelar provenientes de una estrella que, por lo demás, no es brillante en radio. Esa estrella se llama GJ 1151 y es una enana roja que se encuentra a 27 años luz de nosotros en la constelación de la Osa Mayor. Lo que ha descubierto este grupo de astrónomos es una emisión de radio que no se parece a los típicos “ruidos de radio” que suelen hacer las estrellas y que aparece sólo intermitentemente.

GJ 1151 fue observada en cuatro intervalos de unas ocho horas cada uno. En tres de ellos la estrella se mantuvo en silencio; en el cuarto brilló con intensidad en ondas de radio de baja frecuencia. La interpretación de esta observación es que la estrella tiene un planeta que orbita cerca de ella, inmerso en su campo magnético, y que produce un punto auroral cerca del polo de la estrella. Cuando ese punto “apunta” hacia nosotros, lo vemos y la estrella se enciende en radio. Cuando mira hacia otro lado, la estrella guarda silencio.

Esta interpretación es la más razonable en estos momentos, sobre todo después de que otro artículo publicado en Astrophysical Journal Letters argumente que GJ 1151 no tiene ningún planeta gigante a su alrededor. Un planeta gigante podría producir este mismo efecto si estuviéramos viendo sus auroras, y no las de la estrella, pero esa posibilidad parece descartada. Así que parece plausible que GJ 1151 tenga un planeta pequeño a su alrededor, quizá con su propio campo magnético.

En cualquier caso, es necesario tomar este resultado todavía con cautela. Es una primera detección, y los autores han construido un buen caso a favor de este método de detección, pero sólo nuevas observaciones de la estrella, que comprueben que la emisión de radio es periódica, y otras que encuentren evidencias de un planeta con un periodo similar a las emisiones de radio, nos confirmarán si esta interpretación de lo que hemos visto es correcta. Si lo es, habremos visto nacer una nueva manera de detectar exoplanetas.

QUE NO TE LA CUELEN

• Este “método de las auroras” para detectar exoplanetas no será útil para todos los posibles planetas. Sólo los que orbiten cerca de las estrellas, en la zona en la que pueden crear esas “estelas”, producirán una señal de radio.
• Este método será especialmente interesante para buscar planetas alrededor de enanas rojas. Al ser estrellas muy frías, los planetas que orbitan cerca de ellas pueden estar a la temperatura apropiada para albergar agua líquida. Y si además tienen campo magnético que los proteja del viento estelar, mejor que mejor.
• En ningún caso pretendemos “fotografiar” las auroras estelares. La idea de este método es buscar estrellas que no sean violentas y que, sin embargo, emitan en radio. Si observamos que esas emisiones de radio cambian periódicamente quizá podamos interpretarlas como una aurora generada por un exoplaneta.

REFERENCIAS

• H.K. Vedantham et al. Coherent radio emission from a quiescent red dwarf indicative of star–planet interaction. Nature Astronomy (2020)
• Benjamin J.S. Pope et al. No Massive Companion to the Coherent Radio-emitting M Dwarf GJ 1151. The Astrophysical Journal vol. 890, no. 2 (2020)
• Philippe Zarka. Plasma interactions of exoplanets with their parent star and associated radio emissions. Planetary and Space Science vol. 55, is. 5, pp. 598-617 (2007)
• Sam Turnpenney et al. Exoplanet-induced Radio Emission from M Dwarfs. The Astrophysical Journal vol. 854, no. 1 (2018)