Com s’han detectat planetes en altres estrelles

Segon article d’en Jordi Miralda relacionat amb la conferència (posposada) d’en Guillem Anglada Escudé sobre exoplanetes.

Un dels desenvolupaments més importants en l’astronomia contemporània ha estat el descobriment de planetes en òrbita al voltant de les estrelles que veiem al cel. Durant molts segles aquesta fou una pregunta cabdal: si les estrelles són altres sols que veiem brillant molt feblement en el cel a causa de la gran distància que ens en separa, és possible que hi hagi també planetes en òrbita al voltant de moltes estrelles, igual que en el Sistema Solar?

La resposta ara ja sabem que és afirmativa, des que es va descobrir el primer exoplaneta (o planeta orbitant una estrella diferent del Sol) l’any 1995. Aquests exoplanetes, però, no es poden detectar amb la tecnologia actual simplement obtenint-ne una imatge al costat de la seva estrella amb un gran telescopi.

El motiu el podem entendre amb una analogia. Prendre una imatge d’un planeta com la Terra al costat d’una estrella com el Sol, des de la distància típica que ens separa de les estrelles més properes, tindria una dificultat semblant a voler retratar una cuca de llum fent la seva feblíssima llumeta, situada a mig metre de distància d’un dels focus de llum sota la tribuna del Camp Nou mentre està il·luminant un partit de futbol del Barça, i des d’una distància de 1000 kilòmetres, és a dir des de la distància que hi ha des del Camp Nou fins a la ciutat de París. Ja seria molt difícil captar la imatge d’una cuca de llum des de 1000 kilòmetres de distància, però si a més hem de fer-ho amb l’enlluernament d’un gran focus de llum tan a prop, tot plegat és encara un repte molt més gran.

Hi ha alguns casos excepcionals de planetes molt massius (semblants a Júpiter) i joves, que s’han pogut observar directament en l’infraroig per la seva llum pròpia (no la reflectida del seu estel) que emeten per la calor interna generada en formar-se per col·lapse gravitatori. Però això només és possible en molt pocs casos, si a més la separació del planeta al seu estel és molt gran, per tal de poder separar la seva imatge de la de l’estel.

Llevat d’aquestes excepcions, doncs, els exoplanetes que s’han descobert fins ara no els ha vist ningú directament. Cal utilitzar mètodes indirectes. El primer mètode que va permetre el descobriment d’exoplanetes és el de la velocitat radial. El que es detecta en aquest cas des dels grans telescopis és només el moviment de l’estrella que orbiten els planetes.

Per la llei de l’acció i la reacció, quan un planeta es mou en òrbita també ho ha de fer l’estrella que l’atrau amb la força de la gravetat, de manera que el centre de masses es mantingui fix. Així per exemple, el Sol no es manté immòbil en l’espai, sinó que segueix la seva pròpia òrbita al voltant del centre de masses del Sistema Solar a causa de la reacció al moviment de tots els planetes.

Aquesta òrbita és molt més petita que la dels planetes perquè la massa del Sol és molt més gran que la de tots els planetes junts, però així i tot la seva velocitat es podria mesurar per part d’un observador llunyà. El moviment que fa una estrella com a reacció a l’òrbita d’un planeta el podem detectar mitjançant l’efecte Doppler, un canvi de la freqüència de la llum que depèn de la velocitat de l’objecte lluminós.

L’efecte Doppler és el que fa que la sirena d’una ambulància soni més aguda
quan se’ns acosta i més greu quan s’allunya, en el cas de les ones de so. El
mateix passa amb la llum, que es desplaça cap al blau quan un objecte se’ns acosta i cap al vermell quan se’ns allunya. El desplaçament quan l’estel s’acosta és un augment de la freqüència (que es fa més aguda, o més alta), que equival a un escurçament de la longitud d’ona (desplaçament cap al blau). De manera inversa, quan l’estel s’allunya de l’observador la freqüència disminueix i la longitud d’ona s’allarga (desplaçament cap al vermell).

Els canvis en la longitud d’ona els podem mesurar amb molta precisió en els espectres de les estrelles gràcies a les seves línies espectrals d’absorció, que les produeixen els àtoms o ions a l’atmosfera estel·lar que absorbeixen la llum a una longitud d’ona característica de cada àtom o ió. Aquestes línies són conegudes ja des que, fa més de cent anys, els astrònoms van començar a mesurar els primers espectres d’estels, i coneixem molt bé la longitud d’ona a la qual apareixen quan no hi ha moviment ni, per tant, efecte Doppler. De la mesura del desplaçament d’aquestes línies en longitud d’ona, en podem deduir la velocitat de l’estel en la direcció radial (envers o enllà de nosaltres).

El gran repte tecnològic per poder detectar els exoplanetes amb aquest mètode ha estat poder mesurar l’espectre d’una estrella amb una precisió impressionant per poder detectar petitíssims desplaçaments de la longitud d’ona de les línies espectrals. Els espectrògrafs de gran precisió, instruments que s’utilitzen en els observatoris astronòmics, van permetre el primer descobriment d’un exoplaneta l’any 1995, un planeta d’una massa igual a 0.46 vegades la massa de Júpiter, o unes 150 vegades la massa de la Terra, que es troba a una distància de només 0.05 Unitats Astronòmiques del seu estel 51 Pegasi, un estel lleugerament més massiu i vell que el Sol situat a uns 50 anys-llum de distància, i visible a ull nu a la constel·lació de Pegasus. Pel descobriment del primer exoplaneta, els astrònoms Michel Mayor i Didier Queloz van ser guardonats amb el Premi Nobel aquest octubre passat de l’any 2019.

L’exoplaneta de 51 Pegasi va capgirar la teoria de formació dels exoplanetes. Ningú pensava que es trobarien planetes de tipus jovià tan massius, i tan a prop d’un estel, a una distància 7 vegades més petita que la de Mercuri al Sol. Per la seva proximitat al seu estel, es calcula que aquest exoplaneta té una atmosfera molt calenta a una temperatura d’uns mil graus Celsius. Els silicats que formen les nostres roques deuen poder evaporar-se a l’atmosfera d’aquest planeta i potser formen núvols de petites gotetes de lava; això, en tot cas, no ho podem veure. Els astrofísics han estat gratant-se el cap des del 1995 per formular noves teories de formació de sistemes planetaris que puguin explicar com es formen planetes tan massius i tan propers a una estrella, ja que s’ha descobert que 51 Pegasi no és pas una excepció sinó un tipus de sistema planetari bastant comú, encara que tan diferent del que tenim al Sistema Solar.

La recerca d’exoplanetes va tenir un altre moment important amb el
descobriment de planetes de massa més petita, més semblant a la Terra, i també més propers a nosaltres. Aquest objectiu va ser tenaçment perseguit per un astrofísic català, en Guillem Anglada Escudé, millorant de totes les formes possibles la precisió de la mesura de velocitats radials en estels propers. Quan treballava a la Universitat de Queen Mary de Londres, va liderar l’equip que va aconseguir detectar un planeta semblant a la Terra orbitant l’estel més proper, Proxima Centauri. Aquest serà el tema del següent article en aquesta sèrie.

(Autor: Jordi Miralda Escudé (Professor d’Investigació ICREA d’Astrofísica. Institut de Ciències del Cosmos, Universitat de Barcelona )

Articles relacionats:

Els exoplanetes de l’estel més proper, Proxima Centauri (27 abril 2020)

L’estel més proper al Sistema Solar: Proxima Centauri (1 abril 2020)