El Premio Nobel de Física 2019 se concedió por «las contribuciones a nuestra comprensión de la evolución del universo y el lugar de la Tierra en el cosmos». La mitad del premio fue para el cosmólogo Jim Peebles, y la otra mitad se concedió conjuntamente a Michel Mayor y a mi colega Didier Queloz por el primer descubrimiento de un exoplaneta que orbita alrededor de una estrella similar al sol. Como alguien que ha pasado una década estudiando exoplanetas, sé que este premio marca un reconocimiento largamente esperado de una de las mayores revoluciones de la astronomía moderna, que ha cambiado radicalmente nuestra percepción de nuestro lugar en el universo.
Un exoplaneta, o planeta extrasolar, es un planeta que orbita una estrella más allá de nuestro sistema solar. Durante miles de años, en muchas civilizaciones, los humanos se han preguntado si existían mundos más allá de la Tierra y del sistema solar. Es humilde darse cuenta de que esta pregunta sólo fue respondida hace apenas 24 años.
En 1995, Mayor y Queloz descubrieron un exoplaneta gigante orbitando una estrella similar al sol, 51 Pegasi. El planeta, conocido como 51 Peg b, tenía una masa similar a la de Júpiter pero estaba 100 veces más cerca de su estrella anfitriona, lo que le daba una temperatura de más de 1.000℃. El descubrimiento fue radical en muchos sentidos, sobre todo porque era muy diferente a los planetas de nuestro sistema solar y contradecía las teorías sobre la formación y la evolución de los planetas.
En nuestro sistema solar, los planetas gigantes como Júpiter y Saturno están entre cinco y diez veces más lejos del sol que la Tierra y tienen temperaturas inferiores a -100℃. Se cree que Júpiter y Saturno se formaron en un disco gaseoso alrededor del sol infantil mediante la acumulación de gas y hielo, posiblemente incluso más lejos del sol de lo que están ahora. El descubrimiento de un «Júpiter caliente» situado tan cerca de su estrella proporcionó el primer indicio de que los planetas podrían formarse de otras formas muy diversas fuera de nuestro sistema solar.
El descubrimiento de 51 Peg b fue el resultado tanto de la destreza tecnológica como de la serendipia. En primer lugar, tuvieron acceso a lo que en aquel momento era uno de los instrumentos más precisos del mundo para medir las longitudes de onda de la luz de otras estrellas, el espectrógrafo ELODIE del Observatorio de Haute-Provence, en el sur de Francia. Pero el tiempo que se tarda en reunir las pruebas que demuestren la existencia de un exoplaneta depende de su masa, su distancia a la estrella y el tiempo que tarde en completar una órbita.
Las teorías existentes y el modelo de nuestro sistema solar hacían que los científicos no esperasen encontrar ningún planeta grande con órbitas cortas que se pudiese encontrar rápidamente. Así que nadie los buscaba activamente en ese momento. Mayor y Queloz estaban llevando a cabo lo que pensaban que sería un programa a largo plazo que podría llevar años antes de encontrar un planeta alrededor de otra estrella. Pero, al año de comenzar las observaciones, descubrieron los primeros indicios de que las teorías planetarias existentes estaban incompletas.
Su descubrimiento se produjo utilizando una técnica conocida como método de la velocidad radial. Cuando un planeta orbita alrededor de una estrella, ésta también se mueve en una órbita similar, pero mucho más pequeña, alrededor del centro de masa de todo el sistema. En otras palabras, el tirón gravitatorio del planeta sobre la estrella hace que ésta se tambalee alrededor de un punto entre ambos.
Debido a este movimiento, la luz de la estrella vista desde la Tierra cambia, en lo que se conoce como desplazamiento Doppler. Cuando la estrella se mueve hacia un observador, su luz tiene longitudes de onda más pequeñas que cuando la estrella está quieta, lo que hace que la luz parezca más azul. Cuando la estrella se aleja del observador, la luz cambia a longitudes de onda más largas y rojas.
Detectar estos cambios de longitud de onda periódicamente indica que otro objeto, en este caso un planeta, está orbitando la estrella. Y midiéndolos a lo largo del tiempo, puedes calcular la velocidad a la que la estrella se acerca o se aleja de ti (la velocidad radial) y cuánto dura la órbita del planeta. La velocidad radial máxima te da una medida de la masa del planeta porque los planetas más grandes situados más cerca de la estrella hacen que ésta se mueva más rápido.
El movimiento del sol debido a Júpiter tiene una velocidad radial máxima de 13 m/s, y la órbita del planeta tarda 12 años. Esto significa que determinar con precisión la masa y la órbita completa de un planeta similar a Júpiter alrededor de una estrella similar al Sol llevaría 12 años utilizando un espectrógrafo de medición de luz con una precisión de unos pocos m/s. Encontrar un planeta similar a la Tierra alrededor de un sol sería aún más difícil porque la velocidad radial máxima sería de sólo 9 cm/s.
A principios de la década de 1990, los mejores espectrógrafos de la Tierra eran capaces de alcanzar precisiones de más de 10 m/s, lo que significaba que no eran capaces de detectar planetas tan grandes, lentos y alejados de una estrella como Júpiter. Pero 51 Peg b era un planeta del tamaño de Júpiter 100 veces más cercano a su estrella, con una órbita de sólo 4,2 días en lugar de 12 años. Esto significaba que su velocidad radial máxima era significativamente mayor, de casi 60 m/s, bien dentro del rango del espectrógrafo de Mayor y Queloz.
Después de haber encontrado los primeros indicios de un planeta con una órbita tan corta, los dos científicos realizaron más observaciones y análisis detallados que confirmaron las propiedades de lo que ahora conocemos como el Júpiter caliente, 51 Peg b. A pesar del intenso escrutinio al que fueron sometidos los resultados, sus hallazgos fueron rápidamente confirmados por otros equipos que utilizaban otros instrumentos.
El revolucionario descubrimiento de 51 Peg b por parte de Mayor y Queloz desencadenó una avalancha de observaciones astronómicas a lo largo de las dos décadas siguientes, revelando la ubicuidad y diversidad de los exoplanetas que hoy conocemos. Actualmente se conocen más de 4.000 exoplanetas, que abarcan toda la gama de propiedades planetarias, desde Júpiter calientes hasta planetas del tamaño de la Tierra en las zonas habitables de sus estrellas anfitrionas. Esto significa que hay planetas que probablemente tienen las temperaturas adecuadas para que exista agua líquida en sus superficies y para que evolucione la vida tal y como la conocemos.