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Elementos No. 105               Vol. 24 Enero-Marzo, 2017, Página 45

El gran telescopio milimétrico y la última aventura en Épsilon Eridani


Leopoldo Noyola
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En junio de 2016 astrofísicos de México, Australia, Estados Unidos, Reino Unido, Chile y España obtuvieron en el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), situado en el volcán La Negra a 4,600 metros sobre el nivel del mar, la imagen más nítida y profunda que se haya logrado de la estrella Épsilon Eridani, a diez años luz de nosotros. Los resultados de estas observaciones con el GTM han sido publicados en uno de los volúmenes del mes de noviembre de 2016 de la revista británica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, con el título “Deep LMT/AzTEC millimeter observations of Epsilon Eridani and its surroundings”.
    El equipo de investigación fue liderado por el Dr. Miguel Chávez Dagostino, Investigador Titular de la Coordinación de Astrofísica del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), egresado de la carrera de Física de la Universidad de Guadalajara que realizó sus estudios de maestría y doctorado en Astrofísica por la International School for Advanced Studies de Trieste, Italia. Acudimos a su oficina del INAOE en Tonantzintla, Puebla, para conocer los detalles y la importancia de estas investigaciones.
    En el tercer piso del silencioso edificio 1 el doctor Chávez, de 53 años, vestido con una playera gris con el logo del instituto, me recibe en una oficina sin parafernalias astronómicas que apunten a que es el refugio de uno de los astrónomos más destacados de México. En el estudio que originó la publicación, el equipo del doctor Chávez contradijo las evidencias que se habían vertido en el pasado sobre el anillo que circunda la estrella Épsilon Eridani, entre ellas una que implicaba la presencia de un planeta y que el equipo del GTM concluyó que no lo hay. Era nuestro punto de partida.





Una de las cosas que se dijeron del disco que circunda Épsilon Eridani es que las irregularidades que presentaba en las imágenes milimétricas se debían a la presencia de un planeta del tamaño de Neptuno ¿qué fue lo que ahora encontraron ustedes?

Nuestra observación indica que no hay un planeta porque no hay grumos ni cosas raras, sino que el anillo es una estructura muy suave; si hubiera un planeta habría inhomogeneidades mucho más pronunciadas de las que vemos. Las discontinuidades que observamos son nubosidades debidas posiblemente al ruido, al hecho de que no tenemos suficiente señal, y también, muy probablemente, a la presencia de fuentes de fondo que no están asociadas el anillo.

¿Quién y cuándo se había advertido la presencia de un planeta?

Utilizado telescopios más pequeños como el de Hawái, de 15 metros de diámetro, a una altura similar a la del GTM, nuestros colegas habían dicho en 1998 que seguro era un planeta; lo repitieron en 2005 y también en 2009, lo que demuestra el interés que hay en esta fuente; pero nosotros, al contrario, demostramos que no, cosa que fue confirmada por otros colegas de España, en un telescopio de 30 metros, que concluyeron que no hay presencia planetaria.

¿Cuál es la importancia científica de este descubrimiento?

El anillo existe y se ve por primera vez completo, se pudieron obtener sus dimensiones a partir de las observaciones y se distingue la estrella. En todas las observaciones milimétricas anteriores se ven pedazos de anillo y la estrella nunca se detecta. Ahora sí detectamos la estrella y, de hecho, vamos a demostrar que el flujo que se esperaba de la estrella no es el que todo mundo (en el mundo de la astrofísica estelar, claro) dice, porque como el caso de nuestro Sol, que tiene actividad visible en esas plumas y protuberancias, eso produce un montón de emisión milimétrica que nadie o muy poca gente ha tomado en cuenta. Lo que nosotros hicimos recientemente es colaborar con gente de Suecia y utilizamos el telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), que tiene una resolución enorme y, además, como está en el sur (en el desierto de Atacama, Chile), podemos ver Alfa Centauri, que es el sistema triple de Alfa Centauri A, B, C, o Próxima Centauri, y lo que descubrimos es que el flujo de partículas de luz en milímetros y en submilímetros es diferente debido a la actividad cromosférica –que se conoce para el caso del Sol–, y se espera que un fenómeno así tenga lugar en Épsilon Eridani; entonces estamos agregando ahí valiosa información porque antes no se sabía de ese flujo.




Figura 1. Épsilon Ertidani captada por el GTM en 1.1 milímetros con la cámara AzTEC.


¿Cómo es posible que no se haya visto antes con instrumentos maravillosos como el Hubble?

No, la estrella sí se ve en el óptico, en el infrarrojo se ve muy buen, pero con telescopios milimétricos es más difícil, ahí no se había visto nunca completa. En milímetros lo que se distingue es material muy frío (230 centígrados bajo cero) pero también una parte del material de la estrella, digamos, de la atmósfera de la estrella. Épsilon Eridani se conoce bastante bien en todos los rasgos, pero no milimétricamente.

¿Qué cualidades tiene esta observación milimétrica?

A finales del 2014 e inicios del 2015 apuntamos el telescopio durante más de 18 horas en diferentes noches. Las excelentes condiciones meteorológicas, la exquisita sensibilidad de los detectores y la apertura (por ahora) de 32 metros de diámetro, permitieron que pudiéramos ver el anillo completo. Mientras que la nubosidad que vemos en nuestra imagen es real, los grumos que allí se distinguen podrían no serlo. Fuimos capaces de demostrar que al menos una o dos de las regiones que se ven más brillantes podrían ser debidas a la presencia de objetos celestes de fondo. Épsilon Eridani tiene un “movimiento propio” muy alto, es decir, su posición con respecto a otros objetos celestes cambia notablemente con el paso del tiempo, de tal forma que en los 18 años transcurridos desde su primera detección sub-milimétrica, las fuentes del fondo inmóviles parecen haber cambiado de posición. Nuestra nítida imagen ha permitido distinguir que algunas de esas fuentes estaban atrás del anillo de polvo y producían ese abrillantamiento. Es decir, no se necesita invocar la presencia de un planeta de las dimensiones de Neptuno para explicar las diferencias de brillantez en el anillo. De hecho, una cosa muy interesante es que detectamos entre siete y diez objetos que están ahí y no sabemos qué son. Se ha dicho que posiblemente sean galaxias lejanas, lo interesante es que muchos de estos objetos nadie los había visto, ni el Hubble ni nadie, porque está muy oscurecido, porque si tú sacas una imagen en el óptico no se verá nada, tiene que ser en el lejano infrarrojo o en milímetros. El punto es que encontramos un montón de nubes y fuentes alrededor que no se sabe qué son, y si tú buscas catálogos de fuentes en el infrarrojo cercano no aparece ninguna de esas, no aparece tampoco en el óptico, ni en el ultravioleta.

¿De dónde proviene ese anillo de polvo frío alrededor de Épsilon Eridani?

Cuando las estrellas son muy jovencitas y no han utilizado todo su material para formarse tienen mucho gas y polvo, entonces la radiación de la estrella, que uno podría ver en el óptico, impacta en los alrededores y esa radiación es absorbida, y el polvo se calienta y re-emite esa radiación pero todo en longitudes de onda del infrarrojo lejano o milímetros, y eso por eso que en óptico tú no ves nada, en el infrarrojo cercano no ves nada, pero en el infrarrojo lejano y en submilímetros y en milímetros ahí es donde estás viendo porque hay polvo, la radiación de ese polvo. Hicimos entonces ahí un ejercicio, estamos trabajando en ello, y todo parece indicar que se trata de galaxias que están muy detrás de Épsilon Eridani, que está apenas a diez años luz, cuando estas están, déjame ver si me acuerdo, a 13 mil millones de años luz, o sea, estas galaxias están casi cuando el Universo era un bebé.
    Lo bonito de esta imagen es que tienes el anillo completo, tienes la imagen estelar, que es la estrella completa por primera vez. Tanto el teles-copio de Hawái como otro de 30 metros en Europa no lograron distinguir esta cosa, nosotros sí, y además todo este grumo de cosas detrás. La verdad es que, como dice David Hughes, el director del proyecto del GTM, posiblemente nuestra imagen de Épsilon Eridani, al igual que otras imágenes de otros telescopios, se convirtió en la imagen icónica del GTM porque era un reto. Y ahora logramos detectarla porque se trata de un teles-copio suprasensible.

Aunque acabaron con el romanticismo de la existencia de un planeta…

Exactamente, yo hubiera querido decir que sí lo hay, pero bueno, esa es una de las cosas que ocurren por la nitidez que es capaz de detectar este tipo de sistemas; cuando se los envié a los colegas que hicieron las observaciones hace 18 años con otros telescopios dijeron “Wow!!!”, yo quiero colaborar contigo, qué onda con el GTM, etcétera. Y bueno, estamos armando un proyecto que es algo que yo quisiera que se dijera, porque la historia no termina con Épsilon Eridani; de hecho, vamos a repetir las observaciones una vez que el GTM tenga los 50 metros, con aún más resolución y sensibilidad, vamos a ir a ver otra vez qué tan ancho es el anillo de polvo, a ver si logramos resolver sus dimensiones, y también buscar si se ha movido algo, etcétera.

¿Ya no es necesario comprobar que no hay planeta, ya comprobaron que no existe ningún planeta?

No, no, quiero hacer hincapié en esto: nosotros dentro de nuestras incertidumbres, en la calibración, no podemos decir que hay irregularidades en el anillo, pero si vamos todavía más profundo y decrecemos las incertidumbres, a la mejor detectamos finalmente que sí hay irregularidades, pero necesitamos realizarlo todavía con mucho más detalles y es uno de los objetivos de hacerlo con un GTM operando con 50 metros.

O sea, ¿queda pendiente la negativa de la existencia de un planeta?

Queda pendiente, exactamente. En el caso de Épsilon Eridani déjame hacer hincapié un poco en este asunto del potencial planeta que podría tener. Existen dos factores que dificultan establecer a ciencia cierta si tiene un planeta o no. La imagen que obtuvimos con el GTM confirma que el sistema de Épsilon Eridani es perpendicular a la línea de visión, lo que hace muy difícil advertir un planeta; distinto a si la viéramos de perfil, cuando podríamos ver, por ejemplo, el eclipse y veríamos el paso del planeta. Pero aun cuando el sistema estuviera de perfil habría dificultades en su detección, ya que la actividad magnética produce manchas en la superficie de las estrellas, como el caso del Sol que tiene manchas solares, entonces muchas veces con las manchas solares uno piensa que son planetas que están girando alrededor de la estrella y en realidad lo que estás percibiendo es la rotación de la mancha estelar.
    La única forma de poder saber si hay un planeta alrededor de esa estrella va a ser viendo cómo disturba ese planeta el polvillo que está alrededor de esa estrella. Por eso vamos a continuar las observaciones.

¿Por qué es tan importante Épsilon Eridani si hay millones de estrellas y algunas tan importantes y cercanas como esa? ¿Porque Épsilon Eridani es tan importante en nuestra cultura popular y ha sido protagonista de decenas de novelas, películas, serie de televisión, videojuegos y ahora con ustedes?

Bueno, como tú lo has mencionado, esa estrella tiene un nombre bonito, está muy cercana y es muy parecida al Sol. Esos son los tres puntos clave. En realidad hay centenares de estrellas de las que se han descubierto este tipo de fenómenos, pero en ningún caso –en milímetros– tan bonita como esta; en ningún caso en milímetros se obtuvo esta imagen; de hecho, hay una que acaban de detectar con ALMA en otra estrella llamada Eta Corvi y que tiene un anillo muy similar, es aparentemente más chiquito, pero como tienen mejor resolución allá lo pudieron ver con mucho detalle, se ve grumoso, y al igual que Épsilon Eridani, se cree que posee uno o varios planetas.

¿Por qué existe tanto interés en los planetas fuera de nuestro sistema solar?

El asunto de los exoplanetas es uno de los temas más candentes que hay desde el descubrimiento del primer exoplaneta alrededor de una estrella como nuestro Sol en 1995, hace 21 años, porque, imagínate, eso de saber si estamos solos en el Universo es en realidad una pregunta que ha trascendido desde los antiguos griegos; mientras que, por ejemplo, el concepto galaxia tiene unos cien años de antigüedad, la pregunta de si estamos solos en el universo tiene 2,300 años; o sea, es una pregunta muy fundamental. Claro que, sabiendo que nuestro Universo tiene del orden de 10 elevado a la potencia 23, o sea, un uno seguido de 23 ceros en el número de estrellas, significa que tarde o temprano vamos a encontrar un planeta con vida; si suponemos que cada una de esas estrellas tiene un planeta circulando a su alrededor, en algún momento del futuro tenemos que encontrar vida en otro lado; parece que encontrar vida en otro lado va a ser inevitable.

¿Dice vida inteligente?

No, vida en general.

Bueno, las probabilidades de encontrar algún tipo de vida en el propio sistema solar son altas.

Ah, bueno, pero algo que motiva mucho es saber que hay otros sistemas similares al del Sol. Desde el descubrimiento del satélite IRAS (Infrared Astronomical Satellite) en 1983, de la emisión del polvo circunestelar alrededor de la estrella VEGA, que dicho sea de paso también observamos con el GTM y obtuvimos una imagen espectacular, y poco tiempo después en otras tres estrellas,  Épsilon Eridani, Fomalhaut y Beta Pictoris, que en conjunto se conocen como las “fabulosas cuatro”, la presencia de polvo alrededor de estrellas relativamente maduras ha resultado un fenómeno común y se conocen cientos de sistemas similares a estos objetos celestes prototípicos. Estos sistemas de polvo, a veces muy retirado de la estrella y a veces tan cercano como la Tierra del Sol, representa los análogos de lo que en nuestro sistema planetario se conocen como los cinturones de asteroides y de Kuiper. Además, en la actualidad se conocen más de 3,500 exoplanetas. Por eso creo que las preguntas fundamentales son saber si hay sistemas similares al solar, o sea, si hay planetas rocosos y agua líquida en alguno de ellos. Ese tipo de preguntas. Luego, el contacto con esos planetas pues va a ser una cosa muy complicada porque por más cercanos que estén estos sistemas, están lejísimos para nuestros estándares terrestres.

Épsilon Eridani, seis veces más joven que nuestro Sol ¿está formando planetas?

No, esa es una confusión que muchas veces nosotros también acarreamos. Vamos a ver: alrededor de estrellas muy jovencitas, de unos cinco y diez millones de años –o sea, unas bebés–, las estrellas se caracterizan por tener un disco protoplanetario que es de donde se forman los planetas; eventualmente, los granos de polvo que conforman ese disco van creciendo y forman planetesimales y planetas de diferentes tamaños; hay una serie de teorías sobre esa formación, dependiendo de a qué distancia están, etcétera. Pero después de unas pocas decenas de millones de años, todo ese material que componía ese disco ya está muy enrarecido y solo hay (relativamente poco) polvo, planetas y planetesimales. La mayor parte del polvo y del gas que había ahí ya ha desaparecido casi en su totalidad pues hay una serie de efectos donde la radiación del sistema barre el polvo y lo expulsa del sistema; o bien, hay un efecto gravitatorio que hace que caiga ese polvo a la estrella y ahí queda consumido. La pregunta que se hacía cuando el descubrimiento de Épsilon Eridani en 1983-84 era: ¿y ese polvo qué hace ahí, puesto que no debe de existir en objetos como Épsilon Eridani que tiene 850 millones de años? Lo que ahora se entiende es que eso proviene de colisiones de planetas y planetesimales ya formados que, en algún momento, con órbitas inestables, se impactan y producen un reguero de polvo. Es polvo que viene de residuos de colisiones de planetas y planetesimales. Pero, por la edad Épsilon Eridani, ya sus planetas deberían estar formados.

Por eso los planetas del nuestro sistema solar son casi tan antiguos como el propio Sol.

De hecho sí, los planetas prácticamente tienen la misma edad del Sol. Y nuestros anillos provienen de colisiones de planetesimales. Pero si viéramos nuestro sistema solar a la distancia de Épsilon Eridani o de Alfa Centaury no podríamos ver los anillos que sabemos que existen, porque tienen muy poquito material. Emiten demasiado poco porque no ha habido colisiones prominentes en los últimos miles de millones de años.

¿Qué tan grande es el éxito del GTM?

No habrá en los próximos diez o veinte años ningún telescopio de plato único que logre tener las capacidades del GTM. O sea, nuestro telescopio está ya proveyendo lo mejor de lo mejor, no va a haber forma de que alguien con un telescopio de antena simple lo supere. El interferómetro ALMA ha apuntado a un segmento del anillo de Épsilon Eridani y los resultados en realidad confirman nuestros hallazgos con el GTM. Quisiera decir que el GTM y ALMA serán un par de infraestructuras astronómicas complementarias formidables, sobre todo cuando el GTM opere ya con 50 metros el próximo año.





Figura 2.
 Imagen de continuo de Épsilon indicando la emisión de las fuentes con la barra de colores de la derecha y el nivel de detección logrado con los niveles de contorno. (Imagen tomada de Chavez-Dagostino et al. Deep LMT/AzTEC millimeter observations of ɛ Eridani and its surroundings, MNRAS, 6/2016).



¿Qué sigue a la exitosa observación de Epsilon Eridani con el GTM?

En el caso de Épsilon Eridani hay algo que nosotros no logramos resolver con el GTM, tienes el anillo exterior que se ve muy bonito, pero aparentemente hay otro que no alcanzamos a ver; se tendría que usar otro tipo de instrumentación –aquella en que se basa la técnica interferometrica– para verlo, pues es un anillo que circunda mucho más cerca de la estrella. De hecho, las observaciones de ALMA no encuentran evidencia de que haya un disco interno y atribuyen la emisión extra a la atmósfera de la estrella, como concluimos con nuestro análisis de datos del GTM.
    Nuestro equipo de trabajo está trabajando en la conformación de un proyecto de legado y de largo alcance que hemos denominado “TUPURI” (purépecha de polvo) en el que planeamos observar una veintena de discos con la resolución y sensibilidad que proveerá el GTM de 50 metros. Anticipamos muchos descubrimientos en este programa.

¿Si el GTM pudiera soñar cuál sería su sueño?

En mi opinión, en mi muy modesta opinión, el sueño del GTM es tener el mayor impacto en la ciencia que se desarrolle en años venideros. Si el GTM tuviera conciencia, como dices tú, yo creo que diría: “a mí apúntenme a donde más impacto tenga”. Y yo percibo que tendrá un impacto notable, espero que así sea. Por ejemplo, en hacer física fundamental con observaciones del agujero negro del centro de nuestra galaxia y de otras galaxias cercanas; hay que ir a conocer las propiedades del material y asociar esas propiedades con el efecto que uno esperaría de las predicciones de la relatividad general de Albert Einstein; eso es física fundamental, además de hacer contubernio el GTM con otro montón de telescopios en el planeta y que prácticamente te dan la capacidad interferométrica de un telescopio del tamaño de la Tierra, con una capacidad de resolución de micro segundos de arco; o sea, para tener una idea de este alcance, esta resolución permite distinguir objetos que tienen una milésima de las dimensiones aparentes de Saturno en el firmamento. Es lo que va a ser posible resolver con el GTM y los nueve telescopios milimétricos que se van a poner a trabajar al mismo tiempo en México, en Chile, en Hawái, en el Polo Sur y otros. Porque queremos ir a ver la materia alrededor del agujero negro, son cinco millones de veces la masa del Sol y sería una experiencia que nos permitirá probar, por ejemplo, la relatividad general de Einstein en condiciones extremas, concretamente en el horizonte de eventos, que significa ver la sombra del agujero negro como lo predice la teoría, en términos del horizonte de eventos, prácticamente la última órbita de la cual puede salir un fotón que tú puedes distinguir; de otra forma, se perdió la información.

Ahora el que dice Wow!!! soy yo.

Para que te des una idea, este telescopio es capaz de distinguir, trabajando en conjunto con todos los telescopios mencionados, una pelota de golf en la Luna. Así que creo que uno de los sueños del GTM, si tuviera conciencia, es contribuir de manera decisiva a esta física fundamental y obtener una imagen por primera vez de un agujero negro para decir: efectivamente, así es, Einstein tiene razón, el horizonte de eventos es como se predice, etcétera.
    Yo creo que el GTM soñaría con contribuir de manera decisiva a la investigación sobre el origen de la vida en la Tierra a través de análisis moleculares en diferentes etapas de la formación de las estrellas, en la evolución de las estrellas, cuando son muy jovencitas, quizá cuando son estrellas maduras, si es que algo de moléculas quedaron ahí en su entorno, pero sobre todo en el análisis de cometas en el sistema solar, que son de los objetos celestes más primigenios que hay y tienen memoria de cómo era el sistema solar cuando se estaba formando; ver qué moléculas había ahí y si efectivamente esas moléculas fueron depositadas aquí y por eso es que tuvimos evolución de vida en la Tierra.
    En el transcurso de los próximos 2 a 3 años se incorporarán al GTM nuevos instrumentos que no solo permitirán fotografiar el cielo milimétrico con mucha mayor sensibilidad, sino también espectrómetros que nos permitirán observar moléculas con todo detalle.  El primero de estos instrumentos no tarda en llegar a México y lo vamos a llevar al sitio para que en octubre del próximo año esté funcional; ¡pues órale!, a buscar moléculas en cometas y en regiones de formación estelar.

Muchas gracias.


Leopoldo Noyola
Antropólogo
Revista Elementos
polo.noyola@gmail.com


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