Los planetas de la Estrella Cervantes (μ Ara)


El nombre de una estrella

La estrella Cervantes es conocida como mu Ara (μ Ara), es decir, la duocécima estrella más brillante de la constelación del Altar, si seguimos la nomenclatura establecida por el astrónomo alemán Johann Bayer en su Uranometria de 1603, que fue una de las primeros catálogos sistemáticos de la edad moderna y en el que se usaba el nombre de la constelación en latín (al leerlo se declina: se escribe μ Ara pero se pronuncia “mu Arae”). La misma estrella se designa habitualmente HD 160691, es decir, que tiene el número 160691 del catálogo de Henry Draper (un compendio de más de doscientas mil estrellas hasta magnitud fotográfica 9 -en su primera edición, luego casi duplicaría es número-, publicada a finales del segundo decenio del siglo XX y el primero que incorporó de manera sistemática las clasificiaciones espectrales de las estrellas). No tuvo en la antigüedad un nombre propio, posiblemente porque ninguna de las estrellas de la constelación del Altar es excesivamente brillante (en una región donde abundan precisamente estrellas muy brillantes) y porque su posición meridional en el cielo no la hizo excesivamente importante tampoco en la astronomía árabe (donde se otorgaron la mayoría de los nombres propios que tienen aproximadamente unas 1000 estrellas de las casi 6000 observables a simple vista en el firmamento).

mu Ara en el cielo, visto en el programa Celestia | Planetario de Pamplona

mu Ara en el cielo, visto en el programa Celestia | Planetario de Pamplona

 

Cómo es Cervantes como estrella

Esto no hace a mu Ara menos importante, aunque mu Ara sea justo visible a simple vista como una estrella de esas que puebla el fondo de una noche oscura, de esas que se ven bien en las noches sin Luna y alejándonjos de los núcleos de población con tanta contaminación lumínica.

mu Ara en la imagen de SIMBAD | CDS

mu Ara en la imagen de SIMBAD | CDS

Se trata de una estrella distante de nosotros unos 50 años-luz, relativamente cercana por lo tanto (teniendo en cuenta que las distancias a las estrellas siempre son grandes, de billones de km, es decir, de varias unidades de años-luz). No es demasiado diferente de nuestro Sol, aunque se trata de una estrella algo más grande: un 10% más masiva que el Sol, casi el doble de luminosa (un 90% más) y 2,5 veces el volumen del Sol (su radio es un 36% mayor). Del estudio de la luz de mu Ara, los astrofísicos (véanse por ejemplo las referencias en la Base de Datos Astronómica SIMBAD del CDS, Centro de Datos Estelares de la Universidad de Estrasburgo en Francia) han concluido que es una estrella algo más vieja que el Sol, con una edad estimada de 6.340 millones de años (nuestro Sol tiene unos 5000).

Su espectro muestra una mayor abundancia de metales (el doble de la solar) y parece estar alcanzando una fase final en la vida de una estrella de la secuencia principal porque el Hidrógeno de su núcleo comienza a disminuir. Recordemos que el Hidrógeno del núcleo de una estrella es, durante más de la mitad de su vida, la principal fuente de energía. Su clasificación espectral se denomina G3IV-V, la del Sol es G2V.

Aún así, en la gran variedad que presentan las estrellas, desde las menos masivas enanas marrones (poco más grandes que 10 veces Júpiter) hasta algunos gigantes como Westerlund 1-26, una estrella que también vemos en la constelación de Ara precisamente, la estrella Cervantes resulta ser una de esas estrellas que quizá en la futura ENCICLOPEDIA GALÁCTICA coloquen dentro del capítulo “Otros Soles”.

 

Los planetas de mu Ara

La búsqueda de planetas extrasolares es parte de la ciencia de este último cuarto de siglo, el final del XX y el comienzo del XXI. Y sabemos que existen cuatro planetas en torno a la Estrella Cervantes (estamos razonablemente convencidos gracias a los datos y análisis independientes de los investigadores en astrofísica, aunque no sabemos si el sistema planetario de mu Ara incluye más planetas, o si los planetas tienen lunas, ni muchos otros detalles de esos mundos…), de los que hemos además obtenido algunos datos. No tenemos imágenes del sistema, pero el trabajo de los astrofísicos ha sido desde hace casi dos siglos poder obtener mucha información y entender qué sucede en lugares a los que no podemos acceder y de los que ni siquiera podemos ver apenas más que un tenue rayo de luz.

En cualquier caso, imaginamos que lo que conocemos es algo así:

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Planeta Masa
(MJ: masa de Júpiter)
Semieje mayor
(unidades Astronómicas
= semieje de la Tierra,
sobre 150 millones de km)
Periodo orbital
(días)
Excentricidad
c
Dulcinea
>0.03321 MJ 0.09094 9.6386 ± 0.0015 0.172 ± 0.04
d
Rocinante
>0.5219 MJ 0.921 310.55 ± 0.83 0.0666 ± 0.0122
b
Quijote
>1.676 MJ 1.497 643.25 ± 0.90 0.128 ± 0.017
e
Sancho
>1.814 MJ 5.235 4205.8 ± 758.9 0.0985 ± 0.0627

Este sistema exoplanetario fue descubierto por R.P. Butler et al. (2001, ApJ, 555, 410), H. Jones et al. (2002, MNRAS, 337, 1170), N. Santos et al. (2004, A&A, 426, L19), C. McCarthy et al. (2004, ApJ, 617, 575) y F. Pepe et al. (2007, A&A, 462, 769), usando los telescopios AAT y ESO 3.6m.

Y la historia de estos descubrimientos es tortuosa porque, como a menudo ha ido sucediendo en la historia de los descubrimientos de planetas extrasolares, se está trabajando al límite de la capacidad de resolución de los instrumentos, y con herramientas de análisis que han ido creándose y perfeccionándose de forma simultánea, mientras los equipos también adquirían más experiencia en la observación y el procesado de los datos y se iban sumando nuevas mejoras en los detectores…

Vamos a seguir el relato un poco caótico de los descubrimientos, de la mano de los comentarios de Javier Gorgas, astrofísico de la UCM y presidente de la Sociedad Española de Astronomía SEA, que preparó (se puede ver en esta misma web) una conferencia en la que narra esta apasionante historia que involucra varios años de observaciones en los mejores telescopios del Hemisferio Sur.

 

mu Ara b : Quijote

Butler-2001A comienzos del nuevo milenio, en 2001, se anunció el descubrimiento de un planeta en torno a mu Ara al que se denominó, siguiendo la costumbre en nomenclatura establecida por la IAU, mu Ara b. La “a” sería para la estrella, pero no se usa; la “b” para el primer planeta; el siguiente, en su caso, sería “c” y luego “d”, etc. Por lo tanto, la letra no indica un orden desde la estrella, sino la prelación en su descubrimiento. Esta es la regla general, pero en el sistema de Cervantes las cosas fueron un poco más complicadas…

El equipo descubridor pertenecía a una de las numerosas búsquedas de exoplanetas (planetas extrasolares), la denominada Anglo-Australian Planet Search (AAPS), que comenzó su trabajo en 1998 y utiliza el telescopio Anglo-Australiano de 3,9 m de espejo (AAT) en el Observatorio Angloaustraliano. El artículo fue publicado en julio de 2001 en la revista The Astrophysical Journal, firmado por R. Paul Butler, C.G. Tinney, Geoffrey W. Marci, Hugh R. A. Jones, Alan J. Penny y Kevin Apps (PDF).

Precisamente este era el primer artículo del equipo, presentando varios sistemas planetarios. Mediante la observación espectral de alta resolución de la estrella Cervantes, los autores habían realizado una curva de velocidad radial (alejamiento / acercamiento relativo a nosotros de la estrella) que evidenciaba la existencia de un planeta mayor que Júpiter, con un periodo de revolución de 743 días y una órbita bastante excéntrica.

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Ahora este primer planeta  el nombre de QUIJOTE. Si lo colocáramos en el Sistema Solar, su órbita equivale aproximadamente a la de Marte, aunque con mayor excentricidad. El que su movimiento sea elíptico, acercándose a su sol y alejándose de él, nos permitió imaginar que reflejaba el carácter oscilante entre la razón y la sinrazón, entre lo fantástico y real que presenta el personaje de Cervantes.

El periodo de la órbita de este planeta en torno a Cervantes es de 743 días, con una velocidad máxima inducida en la estrella por la presencia de Quijote de 54 m/s, siendo la precisión de las medidas de 3 m/s por arriba o por abajo. La órbita, como decimos, es muy excéntrica (la excentricidad es de 0,62). El método de la velocidad radial solo puede dar una estimación de la masa del planeta, M sen i = 1,97 MJ porque no conocemos i, la inclinación del plano orbital con respecto a la línea de observación (la visual). La distancia a la estrella, el semieje mayor, era de 1,65 unidades Astronómicas.

Jones2002Observaciones posteriores pudieron confirmar este hallazgo. Algo que resulta fundamental en los descubrimientos, que requieren una confirmación de los mismos. En este caso los resultados fueron publicadas en 2002, en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (PDF) por Hugh R. A. Jones, R. Paul Butler, Geoff W. Marcy, Chris G. Tinney, Alan J. Penny, Chris McCarthy y Brad D. Carter.

Los datos orbitales cambiaron: periodo de 637 días, velocidad máxima inducida en la estrella de 40 m/s, excentricidad de 0,3 M sen i= 1.7 m a=1,5 uA. Las observaciones posteriores han permitido mejorar la precisión de estas medidas, con los datos que se presentan en la tabla de arriba.

Para hacernos una idea, la posición de Quijote sería parecida a la de Marte en el Sistema Solar.

 

mu Ara e: Sancho

Lo que resulta muy interesante para la historia de las observaciones de este sistema es que en el artículo de Jones et al. se apuntaba la existencia de un planeta exterior a Quijote (a una distancia superior a 2,5 uA), el que luego sería mu Ara e, Sancho. Sin embargo no se contabilizó entonces como descubrimiento al no aportarse estos datos orbitales. No estaba confirmado más que la posibilidad de un cuerpo con un periodo de 1300 días (como aparece en la nota de la enciclopedia de exoplanetas exoplanet.eu para este sistema).

Dos años después, aparecen más pruebas de la existencia de ese planeta exterior a mu Arae b.
McCarthy2004En el año 2004 se publica en The Astrophysical Journal  un nuevo análisis con observaciones del mismo equipo del telescopio australiano AAT y firmado por Chris McCarthy, R. Paul Butler, C. G. Tinney, Hugh R. A. Jones, Geoffrey W. Marcy, Brad Carter, Alan J. Penny u Debra A. Fischer (PDF).

En él se caracteriza este planeta al que sigue sin ponérsele nombre porque los datos son inciertos. Parece que la masa es de 1,8 veces la de Júpiter (577 Tierras), un periodo de 11,5 años, con una velocidad de 13 km/s, a 5,2 uA de Cervantes. Una órbita que puestra en el Sistema Solar equivale a la de Júpiter, para hacernos una idea.

Sin embargo, como los datos no estaban del todo claros en 2002, este planeta -dudoso- no recibió el nombre de mu Ara c. Ese nombre se lo llevaría finalmente un planeta sorprendente.

Mccarthy_fig4

NOTA:
más lento y más pausado, menos excéntrico que Quijote… parecen sin duda algunas de las cualidades del bueno de Sancho.

mu Ara c: Dulcinea

Santos2004-abstractEntran en juego en esta historia de descubrimiento otros equipos de astrofísicos, esta vez trabajando desde el Telescopio de 3,6 m del Observatorio de La Silla (Chile, Observatorio Europeo Austral  ESO), empleando un espectrógrafo llamado HARPS (Buscador de Planetas mediante el método de Velocidad Radial con Alta Precisión – High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher, los astrónomos a veces juegan hasta el exceso con los acrónimos de sus instrumentos o proyectos, aunque hay que reconocer que “Arpa” sonaba estupendamente). N. Santos et al. (2004, A&A, 426, L19)

Aunque se sospechaba la existencia de planeta rápido y cercano orbitando en torno a mu Ara, solo se pudo analizar con detenimiento tras varios años y diferentes técnicas la órbita de Dulcinea. La línea de tiempo de las observaciones del sistema la vemos en esta curva de velocidad radial de la luz de la estrella Cervantes:

Santos2004-curvadeluz-general

 

Las observaciones en recuadro corresponden a las realizadas por Santos et al. Si las ampliamos, como se ve en otra de las gráficas del artículo:

Santos2004-curvadeluz-detalle

El mejor ajuste a los datos, que corresponden a errores menores a 2 m/s en las velocidades radiales, indica la presencia de un planeta de una masa menor de 14 veces la masa de la Tierra, muy cerca de la estrella, de manera que recorre su órbita en solo 10 días.

Los datos posteriores han permitido afinar estos datos: mu Ara C da una vuelta alrededor de su sol en solo 9,64 días, frente a los 640 días de Quijote. Está muy cerca de la estrella, a poco más de 11 millones de km de ella (Mercurio orbita entre 46 y 70 millones de km del Sol). Tiene una masa de unas 10 veces la terrestre, algo más que Neptuno por compararlo, y a esa distancia de la estrella este planeta podría llegar a estar a unos 2000 K de temperatura.

Se trataba de la primera vez que se detectaba un “Neptuno caliente”, es decir, un planeta muy cercano a su estrella de un tamaño similar al de Neptuno. Aunque realmente, Dulcinea podría ser una especie de “supertierra”, un planeta con corteza de silicatos a gran temperatura, y poca atmósfera (posiblemente transparente) y como tal se ha publicado en algunas referencias. Sin embargo, las observaciones no permiten saber si se trata de un gigante de hielo o de una supertierra…

 

NOTA: 
para nosotros, el hecho de que esté tan cerca de Cervantes que Quijote casi no podrá verlo nos ofrecía una bella metáfora para la inexistente amada del caballero de la triste figura: Dulcinea no podría ser vista, pero si intuida o soñada, acaso idealizada participando del fulgor del gran escritor-sol.

 

 

mu Ara d: Rocinante

Pepe2007Los datos más precisos sobre Dulcinea, y la confirmación de la existencia de Sancho llegaron en 2007, cuando también se descubrió un nuevo planeta, Rocinante. Fue ese año cuando un equipo de astrónomos que utilizaba el espectrógrafo HARPS en el Observatorio de La Silla en Chile, del Observatorio Europeo Austral (ESO) publica un estudio en detalle del sistema cervantino en la revista Astronomy and Astrophysics firmado por F. Pepe, A. C. M. Correia, M. Mayor, O. Tamuz, J. Couetdic, W. Benz, J. -L. Bertaux, F. Bouchy, J. Laskar, C. Lovis, D. Naef, D. Queloz, N. C. Santos, J. -P. Sivan. D. Sosnowsja y S. Udry (PDF).

Con el mismo instrumento y observaciones de un periodo de tiempo que se iba incrementando (desde las primeras observaciones en 1999) encontraban un compañero planetario bastante exterior a mu Ara b (Quijote), algo que aparecía ya como intuido en los datos publicados en 2002, pero que el ruido no permitía discernir. Con el tiempo y los nuevos análisis y algoritmos más precisos, se ha podido conocer que mu Ara e es el mayor de los planetas del sistema, con 1,8 veces la masa de Júpiter, un gigante quizá similar a nuestro Júpiter que orbita a 5,23 unidades Astronómicas de su estrela, en una órbita que le lleva algo más de 11 años y medio recorrer (Júpiter lo hace a 5 veces la distancia promedio de la Tierra al Sol y tarda 11 años).

Los ajustes de los trabajos del grupo de Pepe, con HARPS, permitieron además de conocer la vida de Dulcinea describir mejor las órbitas de los otros planetas que iban apareciendo. En 2002 se había intuído la presencia del que luego sería “e”, pero las curvas de velocidad radial permitían una solución más compleja, que fue posible gracias a la elaboración de nuevos algoritmos de búsqueda (el análisis de los datos de observación se lleva de forma semiautomatizada, con programas que pueden encontrar patrones y de ahí poder ajustar los parámetros orbitales de los planetas responsables. Los algoritmos de Gozdziewki y colaboradores, publicados en The Astrophysical Journal en 2004 y 2005, el llamado algoritmo “GAMP”, fue el responsable de que se encontrara un planeta posiblemente gaseoso, con la mitad de masa que Júpiter para hacernos una idea, y en una órbita alrededor de mu Ara que recorría cada 307 días.

Se habían acumulado 8 años de observaciones, 171 noches de observación en varios observatorios, y por un amplio equipo de astrofísicos. Como vemos, esta historia de descubrimiento es un trabajo conjunto de muchísimas personas, una de las características de la astrofísica actual, donde la necesidad de disponer de datos precisos y análisis a lo largo de series temporales prolongadas implica que los equipos son necesariamente numerosos.

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De esta manera, la serie de observaciones mejoraba la precisión en las medidas a 1,4 m/3, y de paso completaba la visión de este sistema planetario con un nuevo planeta, mu Ara d, llamado ahora Rocinante.

Rocinante es un mundo cuyo año, el tiempo de una revolución alrededor de Cervantes, es de 310 días, el límite superior a la masa del planeta (M sen i) es de 0,5 MJ. (la mitad de la masa de Júpiter). Su órbita no es muy excéntrica y su semieje mayor es de 0,9 uA. Para hacernos una idea su órbita es similar a la de nuestra Tierra en el Sistema Solar.

NOTA:
Rocinante es un caballo peculiar, no un gran protagonista de la novela (donde el caballo fantástico Clavileño será mucho más sorprendente), pero que en las metáforas planetarias queda bien representado por un rocín no demasiado lejos del caballero andante.

Curiosamente, las órbitas de Rocinante y Quijote (de rocín y caballero andante) sufren interacciones. En algunos modelos se apunta a que esto puede generar una inestabilidad en la órbita de Rocinante, que podría destruirse en 76 millones de años. ¿Existe algún otro planeta que introduzca estabilidad? ¿Estamos viendo un proceso extremadamente improbable, un sistema de vida fugaz…? No podemos saberlo.