Detección de Enanas Marrones y Exoplanetas con la Misión WISE

Desde su lanzamiento en 2009 la misión WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) de la nasa ha hecho contribuciones muy valiosas al campo de la astronomía, nos ha brindado un vasto conocimiento acerca del universo, nuestra vía láctea y el sistema solar.

Imagen-1. Recreación artística del telescopio de la misión WISE. (Créditos: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

Con el objetivo de crear un mapa del cielo, se utilizó un telescopio de 40 cm de diámetro puesto en órbita terrestre, para poder estudiar a los objetos más fríos del universo.

El telescopio está equipado con detectores que se mantienen muy fríos a tan solo 15 grados por encima del cero absoluto (-430°F/15°K) con ayuda de un criostato.

Imagen-2. Fotografía del telescopio de la misión WISE, se muestra aquí sin la tapa de apertura. El espejo principal del telescopio se encuentra al final del tubo abierto. (Créditos: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

El telescopio WISE cuenta con una cámara digital sensible al infrarrojo que toma una foto cada 11 segundos, cada imagen cubre un área del cielo 3 veces mayor que la luna llena, en los primeros 6 meses de la misión se obtuvieron casi 1.500.000 fotografías que cubren todo el cielo.

Todos los datos obtenidos en la misión WISE se descargan por transmisión de radio 4 veces al día para su posterior procesamiento.

¿Por qué la misión WISE estudia el cielo en la longitud de onda infrarroja?

Las observaciones infrarrojas tienen una gran importancia en el estudio de medios a baja temperatura, existen objetos en el universo como por ejemplo granos de polvo interestelar, exoplanetas gigantes, enanas marrones, así como las superficies heladas de los satélites planetarios y los asteroides que tienen una temperatura que varía entre 3 a 3000 °K, la energía irradiada por estos objetos está dentro del rango de temperatura en la que se encuentra la longitud de onda infrarroja.

Imagen-3. Mapa 2-D del cielo observado por la misión WISE en cuatro bandas W1, W2, W3 y W4 centradas en 3.4, 4.6, 12 y 22 mm respectivamente, en la longitud de onda del infrarrojo medio. (Créditos: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

De tal manera que las observaciones en esta longitud de onda sirven para estudiar aquellas regiones “ocultas” en el espacio por el polvo cósmico, por ejemplo regiones de formación estelar.

Otra de las ventajas de las observaciones infrarrojas es que nos permiten estudiar al universo joven debido a la expansión del Universo, esto mediante el corrimiento al rojo o efecto Doppler, entre más se aleja un objeto, su luz se desplazará a longitudes de onda más largas de manera proporcional, ya que la velocidad de la luz es finita, los objetos con un mayor corrimiento al rojo se observaran como eran en el universo joven.

La mayoría de la radiación emitida por objetos como estrellas, galaxias y quásares muy lejanos ahora se encuentra en el infrarrojo.

Imagen-4. Colección de galaxias de distinto tipo obtenida por la misión WISE. (Créditos: NASA/JPL-Caltech).

La misión WISE y la detección de enanas marrones

Imagen-5. Recreación artística de una enana marrón joven llamada WISEA J114724.10-204021.3. (Créditos: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

Una de las principales metas de la misión WISE es la detección de enanas marrones objetos subestelares realmente asombrosos, tienen muy baja masa por lo que no pueden fusionar el hidrogeno en helio como las estrellas de la secuencia principal, su rango de masas (75-80 masas jovianas) se encuentra entre las estrellas más ligeras y planetas gigantes gaseosos pesados como Júpiter, con el tiempo estas se van desvaneciendo y se enfrían de manera gradual hasta alcanzar el equilibrio, las enanas marrones más viejas que existen en el universo son muy frías y débiles  por ejemplo WISE J085510.83-071442.5 descubierta en el 2014, se encuentra a tan solo 7.2 años luz de distancia, dentro de nuestro vecindario cósmico es una de las más próximas al sol, tiene una temperatura que oscila entre  225 y 260° K y una masa de entre 3 y 10 veces la de Júpiter.

Imagen-6. El diagrama muestra la ubicación de las estrellas y enanas marrones más cercanas al sol. (Créditos: NASA/ Penn State University).

La detección de enanas marrones de manera directa es muy difícil ya que apenas emiten luz incluso las más cercanas al sol, sin embargo, tienen una emisión muy fuerte en longitudes de 4.6mm debido a la falta de absorción de metano, por lo tanto, WISE es una herramienta poderosa para encontrar enanas marrones realmente frías.

El litio es un elemento que nos permite identificar a las enanas marrones por medio de sus espectros de emisión característicos, en una enana marrón el hidrogeno no alcanza la temperatura y presión necesarias para desencadenar la fusión nuclear y por lo tanto el litio no es destruido, permaneciendo en ella durante toda su existencia.

De modo que este es el método clásico para su identificación, aunque una desventaja es que en algunas observaciones de estrellas de baja masa se puede detectar litio porque aún no se había consumido debido a la lentitud de las reacciones en dichas estrellas.

Imagen-7. Espectro de emisión del litio. (Créditos: Casanchi.org).

Las enanas marrones al igual que las estrellas se clasifican por clases espectrales, dichas clases son del tipo M, L, T e Y, dependiendo su temperatura siendo las del tipo Y las más frías.

Las enanas marrones van cambiando su tipo espectral a medida que envejecen debido a que no tienen otra fuente de energía, estas se van enfriando hasta ser del tipo Y.

Si pudiéramos observar enanas marrones de manera directa veríamos una variedad de colores que van desde el magenta hasta el rojo o naranja, al contrario de lo que su nombre indica.

Imagen-8. Comparación de los diferentes tipos de enanas marrones, estrellas de baja masa y planetas como júpiter. (Créditos: MPIA/ V. Joergens).

Teóricamente se cree que la densidad numérica de la población de enanas marrones es de unas dos veces la densidad de las estrellas ordinarias en el universo.

En total la misión WISE logro detectar 200 enanas marrones hasta la fecha, 13 de estas son del tipo Y.

Enanas marrones y detección de exoplanetas

Como ya vimos las enanas marrones se encuentran entre los límites de las estrellas enanas de baja masa y planetas gigantes gaseosos, para distinguirlos se usa la observación de núcleos de deuterio, los planetas son objetos que nunca alcanzan la temperatura necesaria para destruir el deuterio (1.2 millones de grados Kelvin) y tienen una masa inferior a 14 masas de Júpiter, las enanas marrones desarrollan interiores degenerados, lo cual impide que la temperatura central alcance el punto de fusión estable de hidrógeno, sin embargo sí destruyen el deuterio.

Imagen-9. Ilustración de un planeta que tiene cuatro veces la masa de Júpiter y orbita a 5 mil millones de millas de una enana marrón compañera. (Créditos: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

Actualmente se han descubierto más de 5000 exoplanetas, el primer descubrimiento de un exoplaneta orbitando a una enana marrón fue ChaHα8, tiene una relación de masa con su compañero primario de aproximadamente 0.3, es tan cercana que se ha sugerido que en realidad se trata de un sistema binario.

En el año 2013 fue descubierto OGLE-2012-BLG-0358Lb, fue el primer compañero de masa planetaria en una órbita relativamente pequeña alrededor de una enana marrón.

Posteriormente en 2015, se encontró el primer planeta con masa terrestre OGLE-2013-BLG-0723LBb orbitando a una enana marrón. Estos descubrimientos sentaron las bases para la detección de exoplanetas observando enanas marrones.

Otro gran descubrimiento fue el hallazgo de discos de acreción para la formación planetaria alrededor de enanas marrones, con las características similares a las que se encuentran en las estrellas, la mayoría de los discos observados tienen masas muy pequeñas por lo que corresponden a la formación de planetas de tamaño terrestre en lugar de gigantes gaseosos.

Durante las primeras etapas de formación planetaria, los granos de polvo (del tamaño de una micra) se acumulan en partículas cada vez más grandes, la reducción en el área ocupada por los granos de polvo hace que el disco se adelgace, al mismo tiempo disminuye su emisión en el espectro infrarrojo.

El disco no se aclara uniformemente debido a esto se puede observar una falta de uniformidad en la distribución del infrarrojo en función de la longitud de onda. WISE puede detectar estas firmas para definir la formación del sistema planetario.

Imagen-10. Recreación artística de una enana marrón rodeada por un disco giratorio de polvo que forma planetas. (Créditos: NASA/JPL-Caltech).

Se ha estudiado la posible habitabilidad de los planetas que orbitan una enana marrón, los datos obtenidos muestran que las condiciones para que una enana marrón tenga un planeta habitable son extremadamente estrictas debido a que estos astros se enfrían con el tiempo y también a que la excentricidad orbital (la forma de su órbita) de tales planetas debe ser extremadamente baja para evitar que se creen fuerzas de marea que acaben por producir en ellos un efecto invernadero descontrolado que los vuelva inhabitables.

Fase final de la misión WISE

La misión WISE fue lanzada en diciembre del 2009 y puesto en hibernación el 17 de febrero del 2011, esto debido a que la duración de la misión inicial estaba limitada por su refrigerante de hidrógeno.

En septiembre del 2013 WISE fue reactivado y pasó a llamarse NEOWISE con un nuevo objetivo: identificar y caracterizar a la población de objetos cercanos a la tierra (Near Earth Objects), asteroides potencialmente peligrosos y cometas, para proporcionar mayor información sobre sus tamaños y composiciones.

Algunos de los objetos observados por la misión NEOWISE han sido clasificados como potencialmente peligrosos (PHA), según su tamaño y cuanto pueden acercarse a la órbita de la tierra.

Imagen-11. Revisión del número de asteroides cercanos a la tierra por WISE. (Créditos: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

NEOWISE recopiló más de 2.5 millones de imágenes infrarrojas del cielo en el séptimo año de operaciones. Estos datos se combinan con los primeros seis años de datos de NEOWISE en un único archivo disponible públicamente, contiene aproximadamente 17.8 millones de conjuntos de imágenes y una base de datos de más de 133 mil millones de detecciones de fuentes extraídas de esas imágenes.

También gracias al proyecto NEOWISE se han descubierto una gran cantidad de planetas menores. Hasta la fecha la misión ha detectado aproximadamente 158.000 asteroides, de estos 1.850 son cercanos a la tierra, se han detectado también 300 cometas.

Todos estos datos obtenidos permiten una variedad de estudios sobre los orígenes y evolución de los cuerpos pequeños en nuestro sistema solar.

Imagen-12. Todos los objetos (asteroides y cometas) encontrados por la misión NEOWISE durante los primeros 8 años de la reactivación. (Créditos: NASA/JPL-Caltech).

El catálogo de la misión WISE y el atlas de imágenes obtenidas son muy valiosas y han sido utilizadas para una gran cantidad de investigaciones en el área de la astrofísica, desde asteroides en el sistema solar hasta las galaxias lejanas más luminosas del universo visible.

Actualmente los datos de la misión WISE siguen siendo utilizados por diversos equipos científicos y en proyectos de ciencia ciudadana donde se espera que se descubran aún más objetos.