Buscando montañas en el espacio

Crédito: MPS/René Heller, WDW Magazine.

Este es un resumen en lenguaje sencillo, accesible para el público, del paper siguiente:

Título:  Finding mountains with molehills: the detectability of exotopography.

Autores: Moiya AS McTier, David M. Kipping.

Institución del primer autor: Departamento de Astronomía, Universidad de Columbia, Nueva York, NY, EE. UU.

Estado: Publicado en MNRAS [acceso abierto].

Los planetas rocosos de nuestro Sistema Solar tienen una gran variedad de características topográficas, como cadenas montañosas, cráteres y profundas trincheras y cañones. Los autores de hoy, Moiya McTier y David Kipping, están probando los límites de la detección de exoplanetas para ver si es posible identificar la topografía de los planetas alrededor de otras estrellas. Observar estas características fuera de nuestro Sistema Solar sería un gran paso adelante en la expansión de nuestra caracterización de exoplanetas y podría ser una forma útil de identificar planetas que experimentan procesos como el calentamiento interno y la tectónica de placas. 

Modelando planetas con características superficiales 

Por lo general, cuando pensamos en exoplanetas en tránsito, imaginamos el planeta como un círculo simple, como en la Figura 1. En esta imagen, la sección transversal del planeta siempre se ve igual, incluso si el planeta está girando. Esto significa que la señal de tránsito será una línea suave, ya que el planeta bloqueará una cantidad constante de luz.

Figura 1: Diagrama de un tránsito para un planeta perfectamente circular. En este caso, la cantidad de luz bloqueada por el planeta permanece en un mínimo constante durante el tránsito, pero si el planeta tuviera características superficiales (montañas y valles) deberíamos ver alguna variación en esa parte media del gráfico. 
Crédito de la imagen: ESA
.

Los planetas con topografía a gran escala, como el Monte Olympo en Marte, tendrán siluetas ligeramente diferentes cuando se vean desde diferentes ángulos. Dado que la cantidad de luz bloqueada por un planeta en tránsito depende del área de su silueta en comparación con el área de la estrella, la señal de tránsito debe variar según las características visibles.

Por ejemplo, si aparece una montaña en la superficie del planeta en tránsito, la cantidad de luz bloqueada por el planeta debería aumentar durante un tiempo. 

Cuantificación de irregularidades

Los autores utilizan las topografías de los cuerpos rocosos del Sistema Solar (Mercurio, Venus, la Tierra, Marte y la Luna) para comprender cómo se manifestarían las diferentes características de la superficie en los datos de tránsito. Definen la irregularidad de cada objeto como el rango de distancias radiales a cada punto de la superficie del planeta, por lo que un planeta realmente montañoso obtendría una puntuación de irregularidad más alta que un planeta más suave. 

Luego, los autores calculan cómo cambia el área de la sección transversal de un planeta a medida que el planeta gira, y usan los cambios en el área para encontrar las variaciones resultantes en la profundidad del tránsito. La figura 2 muestra cómo se aplica esto a una Tierra en rotación. El contorno azul muestra la Tierra con sus océanos, mientras que el marrón es el aspecto que tendría la Tierra como un planeta seco. El océano ayuda a suavizar la superficie de la Tierra, por lo que la Tierra con océano tiene una puntuación de irregularidad más baja que la Tierra seca. Dado que la Tierra seca tiene una superficie más irregular, muestra más variación en el brillo relativo, mientras que la Tierra con océanos da como resultado un brillo relativo bastante constante. 

Figura 2: En la parte superior hay una animación que muestra cómo la sección transversal observada de la Tierra cambia con su rotación
La línea azul muestra los océanos de la Tierra, mientras que la marrón muestra solo la superficie rocosa (exagerada para que las características de la superficie sean más visibles). El gráfico inferior muestra cuánta luz se bloquea a medida que giran la Tierra con océanos y la Tierra rocosa. 
Dado que el océano ayuda a suavizar la silueta de la Tierra, la señal azul tiene menos variación que la marrón. 

Crédito de la imagen: Figura 2 del paper.

Los autores llevan a cabo este cálculo para cada uno de los objetos rocosos del Sistema Solar y trazan la puntuación de irregularidad frente a la cantidad de variación en el tránsito resultante (Figura 3). De los objetos del sistema solar, Marte es el objeto con más baches, seguido de cerca por la Tierra seca, y ambos tienen las mayores variaciones en la luz bloqueada debido a las características de su superficie. 

Figura 3: El factor de baches y la variación resultante en la profundidad del tránsito calculada para los cuerpos rocosos del Sistema Solar, si estuvieran pasando frente a una estrella de baja masa.  Aproximadamente, los objetos con más irregularidades superficiales tendrán más variación en sus tránsitos. 
Crédito de la imagen: Adaptado de la Figura 6 del paper.

Exoplanetas con textura

Entonces, ¿podríamos ver algunas exo-montañas en un futuro cercano? Desafortunadamente, probablemente no podamos realizar ninguna medición de topología con los telescopios que funcionan actualmente. Para resolver la diferencia entre señales con y sin características superficiales se necesita una precisión realmente alta, y los instrumentos actuales no la alcanzan del todo. Sin embargo, la próxima generación de «súper» telescopios como el Extremely Large Telescope o Colossus podrína estar listos para el trabajo. Los autores calculan que estos telescopios podrían identificar planetas con irregularidades superficiales similares a las de Marte, que orbitan estrellas de baja masa, como enanas blancas. ¡Entonces podría ser solo cuestión de tiempo antes de que comencemos a mapear exo-topografías!

Fuente: Astrobites.

Artículo original:Searching for Space Mountains‘. Isabella Trierweiler, Sasha Warren.  Apr 5, 2022.

Sobre Isabella Trierweiler:

Isabella Trierweiler – Física y Astronomía, Universidad de California, Los Angeles (UCLA).

Isabella es una estudiante graduada de Astronomía de tercer año que estudia exoplanetas. Creció en Alabama y Minnesota e hizo su trabajo de pregrado en la Universidad de Yale. En el departamento, es miembro del consejo del grupo de Identidades Marginadas en Física y Astronomía y ayuda a coordinar los esfuerzos de divulgación de los estudiantes graduados de Astronomía, que incluyen Astronomy on Tap y visitas virtuales a las aulas de las escuelas primarias locales.

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