Una mirada al futuro del Sistema Solar

Mientras trabajaba como astrónoma asociada en el Telescopio de Gemini Norte de NOIRLab, Siyi Xu también es una de las investigadoras líderes en el estudio de lo que ocurre en sistemas planetarios de estrellas similares al Sol que evolucionan a enanas blancas.

Nacida en lo que ella describe como la “hermosa ciudad” de Kunshan en China, Xu obtuvo su Doctorado en astronomía en la Universidad de California, Los Angeles, y ha estado trabajando en Gemini desde 2017. Sin embargo, su trabajo en enanas blancas, que fue recientemente resumido en un artículo suyo y de Amy Bonsor de la Universidad de Cambridge, lo que realmente ha capturado la atención del público.

La enana blanca más cercana al Sistema Solar está a solo 8,6 años luz de distancia, orbitando con la estrella Sirio. Conocida como "El cachorro", fue descubierta en 1862 por el famoso fabricante de telescopios estadounidense, Alvan Clark.

En 2016, Xu y su entonces supervisor de doctorado Michael Jura, encabezaron una investigación que descubrió la desintegración de un asteroide orbitando una enana blanca. La enorme gravedad de la enana blanca creaba fuerzas de marea que desintegraron el asteroide, esparciendo elementos pesados sobre la superficie de la enana blanca. Luego, en 2019, Xu estuvo a la vanguardia del descubrimiento del primer exoplaneta en tránsito alrededor de una enana blanca, un descubrimiento que fue confirmado por el Espectrógrafo en Infrarrojo Cercano de Gemini (GNIRS) en Gemini Norte.

¿Por qué son tan importantes las enanas blancas y sus sistemas planetarios (o lo que queda de ellos) tan importantes?

Saltando de alegría: Siyi Xu, astrónoma de NOIRLab, en el Observatorio Paranal en Chile.

Credit: Siyi Xu

“Es muy difícil medir la composición de planetas alrededor de estrellas normales”, explica Xu, ya que todo lo que podemos ver es la cumbre de sus nubes o las superficies. Los científicos pueden determinar su composición general —es decir, si son gaseosos, sólidos o parcialmente líquidos — a partir de la densidad de un planeta, pero determinar la abundancia de distintos elementos y las moléculas al interior de estos planetas es imposible si no los abres.

Afortunadamente, las enanas blancas nos pueden ayudar a dar una mirada al interior de estos planetas. Al final de sus vidas, las estrellas con masas diez veces menores que la masa de nuestro Sol quedarán sin combustible para las reacciones de fusión en su núcleo y sus capas externas se inflarán para formar lo que se conoce como nebulosas planetarias. Al final, sólo queda un núcleo inerte del tamaño de la Tierra y muy caliente al que llamamos enana blanca, el cual puede tener una masa de hasta 1,4 veces la masa de nuestro Sol.

Siyi Xu y un colega miran el cielo nocturno mientras los láseres de óptica adaptativa brillan en el cielo.

Credit: Na'ama Hallakoun

Esta evolución final de las estrellas como el Sol provoca el quiebre de las órbitas de planetas, asteroides y cometas que sobrevivieron a este proceso evolutivo, y que finalmente caigan hacia la enana blanca o que choquen entre ellos. Si se aproximan demasiado a la compacta enana blanca, entonces las fuerzas de marea pueden destruirlos, como le ocurrió al asteroide que Xu descubrió, destrozándolos de modo tal que el material encerrado en las profundidades del planeta queda expuesto al espacio y cae sobre la superficie de la enana blanca. Al medir los espectros de las enanas blancas, que deberían revelar solo carbono y oxígeno (a veces con neón y magnesio), los astrónomos pueden detectar cualquier elemento adicional que haya contaminado la superficie de la enana blanca.

"Podemos medir directamente la composición química de los planetas, porque fueron destrozados por la enana blanca", dice Xu. “He estado observando las composiciones elementales de material exoplanetario alrededor de las enanas blancas y parecen ser bastante similares a los materiales rocosos del Sistema Solar: oxígeno, hierro, silicato y magnesio. ¡No hemos encontrado ningún elemento exótico como el criptón!"

Este conocimiento les dice a los astrónomos que los exoplanetas están hechos de los mismos materiales básicos que los planetas de nuestro Sistema Solar. Sin embargo, si bien los elementos son los mismos, los tipos de roca con los que se construyeron estos planetas no lo son.

“Recientemente, en colaboración con Keith Putirka de la Universidad Estatal de California, Fresno, descubrimos que la mayoría de los tipos de rocas no se parecen en nada a los materiales rocosos del Sistema Solar, y tuvimos que idear nuevos esquemas de clasificación de rocas para comprender estos materiales exoplanetarios”, dice Xu.

El siguiente paso consiste en intentar detectar moléculas de firma biológica en sistemas de enanas blancas, lo que podría ser evidencia de planetas potencialmente habitables que alguna vez existieron orbitando esas estrellas. Sin embargo, es poco probable que cualquier planeta similar a la Tierra haya sobrevivido a la muerte de su estrella. Antes de que la estrella se convierta en una enana blanca, se expande hasta convertirse en una gigante roja, vaporizando los mundos en órbita cercana. Este también será el destino de la Tierra cuando en unos 5 mil millones de años, el Sol comience a envejecer y a evolucionar hasta convertirse en una gigante roja.

Podemos medir directamente la composición química de los planetas, porque han sido destrozados por la enana blanca.

“La mala noticia es que, a partir de las simulaciones dinámicas del Sistema Solar, parece que la Tierra es demasiado pequeña y está demasiado cerca del Sol, y es posible que no lo logre”, dice Xu. Sin embargo, el descubrimiento de un planeta superviviente parecido a la Tierra alrededor de una enana blanca nos daría esperanzas de que nuestro planeta sobreviva. "Todavía no hemos encontrado ningún planeta similar a la Tierra alrededor de enanas blancas, ¡pero seguiremos buscando mientras mantenemos los dedos cruzados!"

Siyi Xu ha liderado el descubrimiento del primer planeta en tránsito conocido, un gigante gaseoso, alrededor de una enana blanca.

Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

En Gemini North, Xu trabaja como parte del grupo de operaciones científicas, ejecutando observaciones "de fila" en nombre de los astrónomos de todo el mundo. Este modo de observación permite a los astrónomos definir sus observaciones (objetivo, tiempo de exposición, filtros, etc.) y el personal científico del observatorio, incluida Xu, realiza esas observaciones por ellos.

Aún no hemos encontrado planetas similares a la Tierra alrededor de enanas blancas, ¡pero seguiremos buscando mientras mantenemos los dedos cruzados!

"Gemini es principalmente un observatorio en modo de fila", dice. "Mi principal función funcional es ayudar a los astrónomos a diseñar sus observaciones y ayudarlos a alcanzar sus objetivos científicos".

Siyi Xu del Observatorio Gemini en el Simposio de la Enana Blanca de la IAU de 2019.

Credit: International Gemini Observatory/NSF’s NOIRLab/AURA/J. Pollard

Incluso existe cierta superposición entre su trabajo en Gemini y su investigación sobre el estudio de las enanas blancas. "Creo que la capacidad de infrarrojos de Gemini (con el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano de Gemini, GNIRS) y la observación en modo de fila son muy útiles para este tipo de trabajo".