Hubble: más de una década oliendo planetas

Articulo tomado del blog Siderofilia por Jorge I. Zuluaga, de los SciLogs de Investigación y Ciencia.

El 24 de abril de 2015 se cumplen 25 años del lanzamiento del telescopio espacial Hubble (#Hubble25), uno de los más exitosos instrumentos científicos de todos los tiempos y para quienes trabajamos con planetas, la nariz exoplanetaria más sofisticada de la historia.

El Telescopio Espacial Hubble es posiblemente la nariz artificial más sofisticada de la historia. Tal vez esta no sea la manera más popular de describir un telescopio óptico y mucho menos uno de los instrumentos científicos más exitosos de todos los tiempos. Sin embargo, si algo hace poderoso al más popular de los telescopios espaciales (por que ha habido en realidad decenas de ellos) es su capacidad para revelar la composición química de otros mundos.

Planetas, cometas, estrellas, nubes de gas y galaxias, miles de objetos han pasado por los instrumentos del telescopio espacial Hubble que tienen la capacidad de descomponer la luz (espectrógrafos), revelándonos, entre otras cosas, su composición química (su "olor" para que nos entendamos).

Hace apenas algo más de una década (menos de la mitad de su vida), su poder "olfativo" nos permitió por primera vez conocer la composición de la atmósfera de un planeta extrasolar. Hoy, cuando cumple 25 años de vida, sus bodas de plata con la comunidad astronómica mundial, ya se cuentan por decenas los planetas de otras estrellas cuyas atmósferas han sido "olidas" por el Hubble (como lo llamaré cariñosamente a partir de ahora).

¿Cómo logra el Hubble saber de qué está hecha la atmósfera de un planeta extrasolar? ¿A qué huelen los planetas que se han estudiado hasta ahora? ¿qué nos deparan, en esta materia, los años que le quedan a esta poderosa nariz exoplanetaria?

Un difícil comienzo

El 24 de abril de 1990 un evento decisivo en la historia de la Astronomía tuvo lugar. El Telescopio Espacial Hubble (HST por su abreviatura en inglés o Hubble para los amigos) se montó en un cohete para emprender un viaje sin retorno a una órbita cercana a la Tierra.

 Derecha: parte de la primera imagen tomada por el telescopio espacial Hubble comparada con la misma imagen tomada desde Tierra (Izquierda). Si bien los detalles parecen un poco mejores, lo son solo por un factor pequeño, un reflejo de su miopía precoz (crédito: NASA)

Aproximadamente un mes después de su lanzamiento, el telescopio abrió su único "ojo".  Lo que vio, sin embargo, no fue para nada prometedor. Un telescopio diseñado para trabajar en las mejores condiciones en las que un instrumento de esta naturaleza lo puede hacer, es decir por fuera de la obstructiva e incomoda atmósfera de la Tierra, producía imágenes borrosas o no mucho mejores de objetos que se podían observar decentemente desde la Tierra (véase imagen arriba).

La noticia conmocionó al mundo científico que esperaba con ansiedad aprovechar las capacidades sin precedentes del además costoso instrumento. Más conmocionados quedaron sin embargo sus diseñadores y fabricantes. Fueron años muy duros para el Hubble y la gente detrás de él.

Pero el ingenio humano es casi siempre superior a la capacidad que tenemos para equivocarnos. En el lapso de un par de años un dispositivo corrector fue inventado e instalado en el telescopio para corregir su miopía precoz. El instrumento funcionó y el que parecía sería uno de los fiascos más grandes de la historia de la NASA, se convirtió con los años en su proyecto científico más exitoso.

Cinco misiones espaciales diseñadas especialmente para repararlo y mantenerlo en funcionamiento concluyeron en 2009 con la instalación de nuevos instrumentos, dispositivos de almacenamiento y mecanismos de orientación y posicionamiento. Esta, la última misión dedicada al ya envejecido telescopio, le dio al Hubble una década más de vida de la que todavía científicos de todo el mundo disfrutamos.

El Hubble ha revolucionado muchas áreas de la Astronomía. Ha medido la expansión del universo con precisión y ha observado el nacimiento de las primeras galaxias. Con suerte podría ayudarnos también a mejorar nuestro entendimiento de los lugares en el universo donde creemos prospera la vida en abundancia: los planetas extrasolares.  

De planetas a exoplanetas

El 10 de abril de 2015, miles de propuestas científicas llegadas de todo el mundo confluyeron virtualmente en el Instituto del Telescopio Espacial Hubble en Baltimore (Estados Unidos) donde se administra el telescopio. Todas esas propuestas tenían un solo propósito: ganarse un lugar en la exclusiva lista de observaciones que realizará el Hubble entre el primero de octubre de 2015 y el 30 de septiembre de 2016 (el ciclo 23 de observaciones desde su nacimiento).

Decenas de esas propuestas (apostaría que más de 100) incluyendo una que envié como investigador principal con dos colegas de los Estados Unidos, están destinadas a observar planetas extra solares. Una fracción no despreciable de ellas (incluyendo la nuestra) quieren usar el Hubble para "oler" algunos de esos planetas.

Desde su descubrimiento en 1995, los planetas que giran alrededor de otras estrellas (planetas extrasolares o exoplanetas como se acostumbra llamarlos), han revolucionado nuestro entendimiento sobre la organización del universo. La que creíamos era una propiedad exclusiva del Sol y tal vez de unas pocas estrellas en la galaxia, se convirtió en algo mucho más común. Las observaciones de las últimas dos décadas con telescopios en Tierra y en el espacio, nos han enseñado que posiblemente todas las estrellas de la galaxia tienen planetas y la mayoría sino todas también, tienen incluso más de uno.

Los primeros planetas fueron descubiertos por su efecto indirecto en el movimiento de su estrella anfitrión. Con la observación de este movimiento podemos medir la masa del exoplaneta. Pero esa observación casi nada nos dice sobre su composición o estructura. Por años, los exoplanetas no fueron más que puntos con masa alrededor de algunas estrellas.

En el año 2000, sin embargo, se produjo un descubrimiento que a la larga sería trascendental para la recién nacida ciencia exoplanetaria: la observación del primer eclipse o tránsito de un planeta sobre su estrella.

Si las órbitas de los planetas se encuentran orientadas al azar, cerca de 1 de cada 100 planetas debería pasar delante de su estrella cuando es visto desde la Tierra. Cuando eso pasa, la cantidad de luz absorbida por el planeta nos dice cuál es su tamaño.Ahora bien, con masa y tamaño podemos saber la "densidad" del planeta y de allí adivinar su composición global.

Quince años y varios telescopios espaciales después (incluyendo la otra diva de NASA, el telescopio espacial Kepler), cientos de planetas han sido descubiertos transitando delante de su estrella. Otros miles esperan ser definitivamente confirmados y estudiados con detalle.

Oliendo exoplanetas

¿Y dónde entra el Hubble en esta historia?

Cada vez que un planeta pasa por delante de su estrella, la cantidad de luz que nos deja de llegar a la Tierra (la magnitud del eclipse o la profundidad del tránsito como dicen los expertos) depende de la longitud de onda en la que lo observemos el tránsito.

Así por ejemplo, un planeta gigante con una atmósfera rica en metano, una sustancia particularmente inclinada a absorber el color rojo, producirá un tránsito más profundo si se lo observa en el rojo que si se lo observa con luz azul.

Pero una cosa es decir esto y otra observar el cambio. El paso de un planeta del tamaño de Neptuno (muy abundantes por cierto) por delante de una estrella del tamaño del Sol, produce una disminución en la luz de la estrella de unas 1000 partes por millón (0,1 %).  Detectar el tránsito es relativamente "fácil" (¡si puf!), pero medir cambios en lo que ya de por sí es pequeño es una verdadera hazaña.

Para complicar aún más las cosas las sustancias más interesantes en la atmósfera de los planetas absorben preferiblemente luz infrarroja. Nuestra atmósfera, llena de sustancias parecidas a las que se buscan (agua y metano por ejemplo) impide que el infrarrojo llegue "completo" a la superficie. Como resultado, hacer estas observaciones desde la Tierra es casi imposible. Aquí es donde el Hubble salva la situación.

Concepción artística del tránsito de HD 209458b con su atmósfera delante de su estrella (Crédito: Alfred Vidal-Madjar, Institut d'Astrophysique de Paris, CNRS, France)

En 2002, usando el Hubble y el método descrito antes, un grupo de astrónomos de los Estados Unidos, midieron por primera vez la composición química de la atmósfera del planeta extrasolar caliente HD 209458b (un nombre muy romántico por cierto). A una temperatura de más de 1500 grados, las capas superficiales de la atmósfera de este planeta contiene metales vaporizados, entre ellos sodio.

¿A qué huele HD 209458b? Si llevaramos una nariz verdadera allí y la colocaramos a una profundidad en la que pudiera funcionar (descontando el hecho que existiría solo por unas fracciones de segundo antes de evaporarse por las altas temperaturas) el sodio entraría en las fosas nasales donde reaccionaría con el agua creando hidróxido de sodio, una sustancia esencialmente inodora pero capaz de "quemar" nuestras mucosas nasales. No sentiríamos ningún olor, pero sí un dolor insoportable.

En el año 2008, la atmósfera de otro exoplaneta con nombre sexy, HD 189733b, fue "olfateada" por el Hubble. Esta vez, el "olor indistinguible" de una sustancia bien conocida por todos, el metano, se hizo evidente en los espectros tomados con la cámara NICMOS del telescopio. Indicios (muy discutidos por cierto) de otras moléculas, incluyendo agua y dióxido de carbono fueron también descubiertos en la atmósfera de este "Júpiter caliente". Su temperatura (cercana a los 900 grados Celsius) impediría el éxito de una misión olfativa humana al planeta, pero si pudieramos realmente oler su atmósfera, otra vez nuestras narices no podrían detectar casi nada: el metano, así como el agua, son sustancias inodoras. HD 189733b es entonces (y en muchos sentidos) un "planeta inodoro".

El espectro de HAT-P-11b, uno de casi una decena de planetas cuyo espectro ha sido medido por el Hubble. Los datos mostrados aquí combinan información obtenida con el Hubble y con otro exitoso telescopio espacial, el Spitzer (Crédito: JPL/NASA)

En 2009 después de la instalación de una versión renovada de uno de los instrumentos más importantes del Hubble, la Camará Planetaria de Campo Amplio (WFC3), el estudio de los espectros de exoplanetas se ha acelerado un poco. En 2012, el primer intento de "oler" la atmósfera de una super Tierra (un planeta sólido más grande que la Tierra) se realizó con éxito, usando las renovadas capacidades del Hubble. Lamentablemente ningún "olor" distinguible pudo detectarse en esa ocasión, pero la observación de GJ 1214b, abre el camino para el examen futuro de las atmósferas de planetas más parecidos al nuestro.

Hoy, la atmósfera de cerca de 10 planetas (y contando) ha sido espiada por el Hubble. En el Ciclo 23 que comienza, tal vez otros 10 o 20 planetas podrían ser olidos por el Matusalén de los telescopios espaciales. Si tenemos suerte, mis colegas y yo, podríamos echar una "olfateadita" a un grupo de planetas nunca antes estudiados de esta manera. De salir exitosos (o no) y después de que el proceso de selección termine, les contaré de qué se trata.

Para saber más:

• Highlights in the study of exoplanet atmospheres.  A. Burrows, Nature, Nature 513, 345–352.

La ñapa
El reto de observar con el Hubble

Si bien estamos acostumbrados a los descubrimientos asombrosos realizados por el Hubble, poco se cuenta acerca del tortuoso proceso por el que deben pasar los científicos para conseguir que sus observaciones sean realizadas desde esta plataforma privilegiada.

Astrónomos de todo el mundo se "pelean" cada año por un lugar en la apretada "agenda de observación" del telescopio espacial. He aquí algunos detalles del proceso que conduce desde las ideas y necesidades observacionales de un astrónomo, hasta la posible publicación de sus resultados en los medios científicos más prestigiosos.

Número de propuestas de observación para el Hubble recibidas en su Ciclo 23 de observación con una determinada anticipación (Crédito: @astromolly)

Como siempre, todo comienza con una buena idea. El primer filtro que aplican los "administradores" del Hubble para seleccionar a los candidatos que podrán eventualmente usar el telescopio, tiene que ver justamente con la calidad y potencial científico de sus propuestas.

Pero no es suficiente tampoco tener una buena idea. También es necesario probar la viabilidad técnica de la observación y demostrar que ella solo es posible con el uso del telescopio espacial. Si la observación puede hacerse con los cientos de instrumentos muy capaces que hay en la Tierra e incluso en el espacio, ¿para qué quitar tiempo a otros que de verdad pueden necesitar al Hubble? Es allí donde empiezan los problemas.

Al Hubble le toma cerca de 1 hora y 36 minutos completar una órbita alrededor de la Tierra. Sin embargo, durante cerca de la mitad de ese tiempo, el hemisferio diurno de la Tierra impide la observación de casi todos los cuerpos de interés por fuera del sistema solar.

Adicionalmente el telescopio debe apuntarse lejos de donde está el Sol, de modo que los cuerpos en un "círculo" en el cielo de cerca de 50 grados alrededor de nuestra estrella están excluidos de las observaciones.

Como el Sol se mueve en la esfera celeste a lo largo del año, este hecho excluye zonas alrededor de las constelaciones del Zodíaco en distintos días del calendario. Si tienes mala suerte, el día que necesitas observar tu objeto puede ser el mismo en el que el Sol está por allí.

El tiempo con el Hubble se mide en "órbitas". 1 año de observación corresponde efectivamente a unas 3.400 órbitas. Son estas órbitas las que persiguen con ansiedad astrónomos de todo el mundo.

Una observación pequeña con el telescopio puede tomar menos de unas 30 órbitas pero las más grandes pueden necesitar cientos de ellas.

30 órbitas pueden parecer mucho tiempo. Con cada órbita durando 1 hora y media, esto equivale a 48 horas de uso total del telescopio más importante del mundo. Sin embargo el tiempo de observación efectivo es mucho menor que eso.

Primero, apenas el 60 % de ese tiempo el Hubble está del lado de la Tierra en el que la mayoría de las observaciones se puede realizar. En segundo lugar la realización de una observación involucra una serie complicada de acciones antes, durante y después, que nada tienen que ver con la observación en sí. El telescopio debe ubicar estrellas que sirven de referencia para la observación. Debe hacer medidas del nivel de ruido y estado de los instrumentos. Adicionalmente por cada imagen que se toma, por ejemplo con una de sus cámaras más importantes, la cámara planetaria de campo amplio, se deben esperar 6 minutos para que la imagen se almacene en la memoria interna del telescopio.

La cosa se pone más complicada por el ambiente peculiar en el que se mueve el Hubble, es decir, el espacio. Allí, algunas cosas que casi nunca afectan a los telescopios en la Tierra, impiden que se hagan observaciones continuas con los delicados equipos del observatorio.

Así por ejemplo, cada 5 órbitas y mientras la Tierra rota debajo del telescopio, el Hubble pasa por encima de la denominada Anomalía del Atlántico Sur, un "agujero" en el campo magnético de la Tierra que permite que partículas energéticas se aproximen mucho al telescopio llenando de ruido e incluso amenazando a sus instrumentos más sensibles. Como resultado las observaciones deben suspenderse cada 5 órbitas (y hasta por 3 órbitas o más) antes de retomarse.

La órbita del telescopio Hubble "precesa", es decir, cada vez que completa una vuelta no vuelve a pasar por el mismo punto sobre la superficie (Crédito: Aaron Brown, Aerospaceweb)

Si logras demostrar que tu idea es buena y realizable (algo que solo conseguirán unas decenas de propuestas), la siguiente etapa consiste en realizar una planeación minuciosa de las observaciones. Esto incluye acomodarlas en la complicada agenda del telescopio, que no me cabe la menor duda es más complicada que la del Papa.  

Después de meses, la agenda está lista y el telescopio empieza a observar.

Si se cuenta con suerte, porque la Astronomía, incluso desde el espacio, es una ciencia en la que el azar es pieza clave en las tareas de investigación, tus observaciones se realizarán con exito y podrás acceder a ellas de forma casi inmediata después de que se descarguen vía el internet espacial al que está conectado el telescopio.

Los datos recogidos por el Hubble son en su mayoría públicos. Cualquiera con los conocimientos, habilidades y creatividad suficiente, podría descubrir cosas increíbles en el gigantesco archivo que ha acumulado durante décadas. Sin embargo, los investigadores que han tenido una buena idea y han invertido meses y hasta años de preparación, tienen un período de gracia de hasta 1 año para usar exclusivamente las observaciones.

Si un segundo golpe de suerte te acompaña, las observaciones contendrán información suficiente para anunciar un descubrimiento novedoso. Lamentablemente poco puedes hacer para anunciar al mundo lo que descubriste si quieres que las mejores revistas científicas divulguen tus resultados (ellas también quieren la primicia). De modo que te muerdes los labios y esperas por semanas hasta que un artículo explicando tus resultados pueda ver la luz.

El 10 % del tiempo solicitado al Hubble, es finalmente asignado. De esos tal vez otro 10 % (estoy especulando) conduzca a observaciones significativas. Y de esas posiblemente menos de la mitad ven la luz en Journals de muy alto impacto (Nature oScience). Si la selección natural les parecía salvaje, ya se imaginan lo que es entonces esto.  

En síntesis, cada vez que vean un "press release" (nota de prensa oficial) e incluso un comentario en un blog como estos, hablando de un descubrimiento hecho con nuestro cumpleañero, recuerden que mucho sudor y tal vez algunas lágrimas han salido de las glándulas de astrónomos muy humanos.