Esta ilustración muestra un púlsar con sus líneas de campo magnético en azul. Los rayos emitidos por los polos son los que bañan nuestros detectores cuando la estrella muerta gira. Crédito: NASA

Los astrónomos descubrieron los primeros exoplanetas en 1992. Encontraron un par de ellos orbitando el púlsar PSR B1257+12 a unos 2.300 años luz del Sol. Dos años después descubrieron el tercer planeta del sistema.

Ahora, un equipo de astrónomos está intentando duplicar esa hazaña buscando exoplanetas en 800 púlsares conocidos.

El equipo de astrónomos pertenece al Centro de Astrofísica de Jodrell Bank, en la Universidad de Manchester. Jodrell Bank tiene un grupo que trabaja en púlsares y astrofísica en el dominio del tiempo. Los púlsares son objetos de interés por diferentes razones, y Jodrell Bank monitoriza 800 púlsares como parte de su trabajo.

El equipo presenta sus resultados en un artículo titulado "A search for planetary companions around 800 pulsars from the Jodrell Bank pulsar timing programme". La primera autora del trabajo es Iuliana Niţu y el artículo se publicará en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Jocelyn Bell Burnell, astrofísica de Irlanda del Norte, descubrió el primer púlsar en 1967. A ella y a otro astrofísico les llevó un tiempo averiguar qué eran. Se especuló con la posibilidad de que fueran fuentes extraterrestres, pero una vez que se descubrieron y estudiaron otros púlsares, quedó claro que eran objetos naturales.

Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente, están muy magnetizadas y emiten haces de radiación electromagnética desde sus polos. Cuando uno de los polos apunta a la Tierra, podemos verlo, como si fuera un faro. Se sabe que los púlsares emiten en radio, luz visible, rayos X e incluso rayos gamma. Cuando un púlsar gira, el haz de luz es visible y luego invisible en intervalos tan pequeños como varios milisegundos. Los intervalos son muy precisos -más exactos que un reloj atómico- y eso hace que los púlsares sean herramientas útiles para los astrónomos.

Sus intervalos precisos los hacen ideales para buscar planetas a su alrededor. Incluso una ligera variación en su sincronización significa que el púlsar se mueve de un lado a otro. Eso significa que uno o más planetas podrían estar tirando de él. La búsqueda de exoplanetas alrededor de los púlsares se denomina método de sincronización de púlsares.

El método de tránsito es el más común para buscar exoplanetas. Consiste en observar la luz de una estrella y buscar caídas regulares en su luz. Una disminución de la luz estelar podría indicar la presencia de un planeta en tránsito frente a la estrella, y si la disminución se repite con regularidad, es una prueba de una órbita. Los científicos encuentran la mayoría de los exoplanetas con este método, aunque a menudo se utilizan mediciones de seguimiento con otros métodos para ayudar a confirmar la presencia de un planeta.

Un problema del método de tránsito es su inherente sesgo de selección. Es mucho más fácil detectar planetas grandes porque bloquean más la luz de las estrellas. También es más fácil encontrar planetas que orbitan cerca de sus estrellas porque orbitan más rápido y causan caídas en la luz estelar con más frecuencia.


Pero la sincronización de los púlsares es diferente. Como la sincronización de los púlsares es tan precisa, incluso los planetas pequeños pueden tirar de los púlsares lo suficiente como para señalar su presencia. Los planetas detectados alrededor de PSR B1257+12 a principios de la década de 1990 eran más pequeños que la mayoría de los exoplanetas encontrados con el método de tránsito. El más pequeño de los tres tenía sólo 0,002 masas terrestres. A partir de 2019, el exoplaneta más pequeño jamás encontrado con el método de tránsito era del 80% del tamaño de la Tierra.

Este nuevo esfuerzo para encontrar exoplanetas alrededor de 800 púlsares es diferente a otros esfuerzos de caza de planetas. No se trata de un nuevo estudio o programa de seguimiento. En cambio, se basa en la búsqueda de los datos existentes sobre púlsares en el Centro de Jodrell Bank. "El conjunto de datos utilizado en este trabajo se compone de observaciones de aproximadamente 800 púlsares de la base de datos de temporización de púlsares de Jodrell Bank", explican los autores.

Pero, ¿cuál es la probabilidad de encontrar más exoplanetas alrededor de los púlsares? Los púlsares son objetos extremos con largas historias puntuadas por catástrofes episódicas. "La aparente rareza de sistemas como el de PSR B1257+12 puede ser una consecuencia de las condiciones extremas en las que se forman los púlsares", escriben los autores.

Los púlsares son estrellas de neutrones, y las estrellas de neutrones tienen un origen calamitoso. Comienzan como estrellas masivas de entre 10 y 25 masas solares. Al final de su vida de fusión regular, estas estrellas explotan como supernovas y luego colapsan en estrellas de neutrones ultradensas hechas de materia degenerada de neutrones. Es muy poco probable que un planeta pueda sobrevivir a todo eso.

¿Podrían formarse planetas después de la supernova? Tal vez. Los autores explican un escenario factible en el que un planeta se forma alrededor de un par de estrellas binarias y luego es capturado por la estrella de neutrones tras una colisión entre las dos estrellas. El planeta también podría haber "... sobrevivido a la posterior evolución del sistema inicial hacia un sistema de estrellas de neutrones".

"El sistema resultante consistiría en un púlsar normal con compañeros planetarios en órbitas excéntricas", escriben, aunque este tipo de planetas sería muy raro. Se necesitaría un entorno muy ajustado para que los planetas sobrevivieran".

Un segundo escenario podría ser más probable. En este caso, la supernova expulsa una enorme cantidad de material al explotar, lanzándolo al espacio a gran velocidad. Pero parte de la materia podría no escapar de la gravedad de la estrella de neutrones restante. En su lugar, forma un disco protoplanetario y los planetas se forman por acreción. En este caso, "... se espera un púlsar normal, rodeado de planetas de masa relativamente pequeña en órbitas circulares", dicen los autores.

También es posible un tercer escenario. En este caso, un planeta es en realidad un remanente de una estrella de neutrones en un par binario de estrellas de neutrones. Una de las estrellas de neutrones interrumpe a la otra o hace que ésta se evapore parcialmente. El núcleo remanente es ahora un planeta, hecho casi por completo de diamantes.

Éstas son sólo tres de las posibilidades de formación de planetas alrededor de los púlsares. Una de las motivaciones para encontrar más planetas púlsares es acotar estas posibilidades en un marco mejor comprendido. "En general, hay un gran número de propuestas de trayectorias de formación de planetas alrededor de los púlsares y, por lo tanto, las búsquedas a gran escala de compañeros de masa planetaria y sus parámetros orbitales son cruciales para restringir y determinar la viabilidad de varios modelos", explican los autores.

Impresión artística de una supernova. Crédito: NASA

A pesar de la precisión del cronometraje de los púlsares, sigue habiendo algunos problemas. Un tipo de ruido puede introducirse en las mediciones. "... la detectabilidad de planetas alrededor de los púlsares también está limitada por la presencia del llamado "ruido de sincronización" que se manifiesta como un proceso de ruido rojo a largo plazo en la rotación del púlsar. Esto supone un reto adicional en la búsqueda de compañeros planetarios, ya que no sólo puede enmascarar las firmas binarias, sino también imitarlas", escriben los autores.

Antes de que el equipo pudiera obtener sus resultados, tuvo que modelar el efecto que tiene un planeta en un púlsar. La mejor manera de modelar una combinación púlsar/planeta es como un par binario. "Cuando un púlsar forma parte de un sistema binario (ya sea con una estrella o con un planeta), gira alrededor del centro de masa del sistema, moviéndose con respecto al observador en la Tierra", explican. Ese movimiento crea un ligero retraso en la señal que llega a la Tierra. Ese retraso se denomina retraso de Rømer.

El equipo de investigadores utilizó estos factores y muchos otros para desarrollar su método analítico. Hay límites necesarios en un trabajo como éste, y el más importante tiene que ver con las masas de los exoplanetas. "Ponemos límites a las masas proyectadas de cualquier compañero planetario, que llegan a ser tan bajas como una centésima parte de la masa de la Luna (unas 10-4 masas terrestres)". Aunque se trata de un límite, es un planeta extraordinariamente pequeño para poder detectarlo.

Los investigadores resumieron su enfoque general diciendo que "Este enfoque es muy adecuado para una búsqueda sistemática de planetas alrededor de los púlsares, para poner límites a la masa de cualquier cuerpo celeste en órbita y, por tanto, para inferir propiedades estadísticamente significativas de la población de estos planetas."

¿Y qué encontraron?

"Encontramos que es muy poco probable que dos tercios de nuestros púlsares alberguen algún compañero de más de 2 ~ 8 masas terrestres", dice el equipo. "Nuestros resultados implican que menos del 0,5% de los púlsares podrían albergar planetas terrestres tan grandes como los que se sabe que orbitan PSR B1257+12 (unas 4 masas terrestres)". PSR B1257+12 es el primer púlsar alrededor del cual se encontraron planetas en 1992. Sirve como una especie de punto de referencia para los sistemas planetarios de púlsares.

Sin embargo, hay al menos una advertencia para estos resultados, y se refiere a los planetas de baja masa. "... sin embargo, el planeta más pequeño de este sistema (de unas 0,02 masas terrestres) sería indetectable en el 95% de nuestra muestra, oculto por procesos de ruido tanto instrumentales como intrínsecos..." El equipo también señala que no está claro si podrían existir planetas diminutos como ese de forma aislada.

15 de los púlsares de la muestra sí presentaban algunas irregularidades, pero no eran necesariamente planetas. El equipo explica que la severa magnetosfera que rodea a los púlsares puede causar periodicidades irregulares. "Detectamos periodicidades significativas en 15 púlsares, sin embargo, encontramos que los efectos magnetosféricos cuasi-periódicos intrínsecos pueden imitar la influencia de un planeta, y para la mayoría de estos casos, creemos que éste es el origen de la periodicidad detectada".

En su análisis final, parece que los planetas púlsares son muy raros. Sólo un único púlsar de los 800 es un candidato probable a albergar planetas. "Creemos que el candidato más plausible para tener compañeros planetarios en nuestra muestra es PSR J2007+3120".

Esta es una ilustración del púlsar binario J0737-3039. La mayoría de los púlsares binarios son púlsares emparejados con un planeta o una estrella de neutrones, pero J0737-3039 es un par de púlsares. Crédito: Michael Kramer (Observatorio de Jodrell Bank, Universidad de Manchester), Atribución: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=827204

PSR J2007+3120 podría albergar un par de planetas. "Nuestro análisis inicial de PSR J2007+3120 reveló una oscilación consistente con un compañero planetario de período orbital 723(8) días", escriben los autores. La evidencia del segundo planeta no es tan fuerte y podría ser sólo ruido. "... no hay una fuerte preferencia entre un componente de ruido rojo y el segundo planeta", explican.

Al final, el equipo no encontró muchos planetas. Sólo uno de los 800 púlsares muestra una fuerte evidencia de planetas, y la evidencia del segundo planeta alrededor de PSR J2007+3120 no es muy robusta. ¿Qué nos dice esto sobre los púlsares y los planetas? Para empezar, muestra lo inusual que es el sistema PSR B1257+12, con tres planetas.

"Confirmamos que PSR B1257+12 debe tener un mecanismo de formación inusual, colocando un límite superior del 0,5% de los púlsares que exhiben planetas similares". El equipo también dice que pueden descartar una población de planetas púlsares más masivos. "Descartamos una población de compañeros planetarios no detectados de más de unas 10 masas terrestres", escriben en la conclusión.

Pero no pueden descartar una población de planetas mucho más pequeños. Algunos de esos planetas podrían estar ocultos en el ruido. "El ruido temporal presente en la mayoría de los púlsares significa que no podemos descartar una población sustancial de planetas diminutos (< 0,1 masas terrestres), aunque no está claro si tales planetas existirían de forma aislada". Si estos planetas se formaron a partir de un disco de material alrededor de los púlsares, entonces el mismo mecanismo debería producir también planetas más masivos.

"Por lo tanto, confirmamos la hipótesis de que la formación de planetas alrededor de los púlsares es rara, y PSR B1257+12 es un caso especial", concluyen. Por ahora, sigue siendo el único púlsar que alberga planetas del tamaño de la Tierra.

A medida que la tecnología mejore, los astrónomos podrían disponer de medios más eficaces para encontrar planetas más pequeños alrededor de los púlsares y para eliminar el ruido de la señal. Este esfuerzo no será la última palabra sobre los planetas púlsares.

En cuanto a la habitabilidad, es muy poco probable. La región que rodea a los púlsares es extremadamente dura. Los potentes campos magnéticos podrían causar estragos en cualquier planeta que se encontrara en las inmediaciones. Y los púlsares son estrellas de neutrones, por lo que no hay fusión. Son poco más que cenizas, aunque pueden ser extremadamente calientes. Algunos de los planetas que se encuentran alrededor de los púlsares no son más que los restos de la explosión del compañero estelar de un púlsar y pueden estar hechos de puro diamante. Otros son objetos capturados.

Pero este estudio nunca fue sobre la habitabilidad. Se trata de sondear algunos de los objetos más inusuales del Universo. ¿Podrían albergar planetas estas estrellas extremadamente densas hechas de materia neutrónica degenerada, estrellas que giran rápidamente y generan campos magnéticos extremos?

No muy a menudo.

Más información: Iuliana C. Niţu et al, A search for planetary companions around 800 pulsars from the Jodrell Bank pulsar timing programme. arXiv:2203.01136v1 [astro-ph.EP], doi.org/10.48550/arXiv.2203.01136
Crédito: Universe Today