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¿Cómo se descubren y se miden los objetos pequeños y oscuros más allá de Neptuno?

Categoría: Espacio y astronomía

En agosto de 1992, un punto de luz se movía muy poco respecto a las estrellas de fondo en imágenes tomadas con un telescopio situado en la cima del volcán Mauna Kea (Hawái). Según la Wikipedia, tenía magnitud 23,3: unos ocho millones de veces más débil que lo más tenue que ve el ojo humano a simple vista[1]. Era un cuerpo pequeño más allá de Neptuno y, según esa misma fuente, el primero hallado después de Plutón y su luna Caronte.

La respuesta corta: son difíciles de encontrar porque solo reflejan la luz del Sol desde muy lejos y se mueven despacio. Se encuentran fotografiando la misma zona del cielo varias veces y buscando el punto que cambia de lugar. Y su tamaño se mide con un truco: ver cuánto tiempo tapan a una estrella cuando pasan por delante.

1. ¿Dónde están estos cuerpos y por qué cuesta tanto verlos?

El cinturón de Kuiper es una región del sistema solar que empieza en la órbita de Neptuno, a unas 30 unidades astronómicas (ua) del Sol, y se extiende hasta unas 50 ua. Una ua es la distancia media entre la Tierra y el Sol[2]. La NASA dice que los astrónomos han catalogado más de 2000 de estos objetos, una fracción pequeña del total, y estiman que hay cientos de miles con más de 100 km de ancho[2]. La NASA también cuenta que Plutón, descubierto en 1930, fue el primero de ellos que se encontró, aunque entonces nadie lo sabía[2].

Según la Wikipedia en español, el astrónomo uruguayo Julio Ángel Fernández propuso en 1980 que debía existir un cinturón de cometas más allá de Neptuno[3]. Pero proponerlo no es verlo. El problema es doble. Primero, estos cuerpos no brillan: solo devuelven la luz del Sol. Segundo, la luz hace un viaje de ida y de vuelta, así que el brillo se debilita mucho con la distancia. Una cuenta sencilla (nuestra, no de las fuentes): si dos cuerpos iguales están a 5 ua y a 40 ua del Sol, y los miramos desde cerca de la Tierra, el segundo se ve unas 4096 veces más tenue, porque el brillo baja con la distancia elevada a la cuarta potencia (8 × 8 × 8 × 8).

Y además se mueven despacio por el cielo. Eso suena a ventaja, pero es justo lo contrario: dificulta distinguirlos de las estrellas. Veamos cómo se resolvió.

3. ¿Por qué el brillo no basta para saber el tamaño de un objeto lejano?

Un cuerpo puede ser brillante porque es grande o porque su superficie es muy clara; uno oscuro y grande puede verse igual de tenue que uno pequeño y clarísimo. Dicho de forma sencilla, el brillo depende del tamaño y de qué parte de la luz refleja la superficie (el albedo), y con un solo dato no se pueden separar las dos cosas. Por eso la estimación de 1992 QB1 tiene un margen amplio: la Wikipedia da entre unos 108 y 167 km de diámetro, según el albedo que se suponga[1].

Hace falta otro tipo de medida. Y para eso sirve un truco que cualquiera puede imaginar con una mano delante de una lámpara.

4. ¿Cómo mide una ocultación el tamaño de un objeto que se ve como un punto?

Una ocultación estelar ocurre cuando un cuerpo pasa justo delante de una estrella lejana y la tapa por un instante. La sombra del cuerpo cruza la Tierra como una franja. Según la geometría del paso, las cuerdas que miden varios telescopios permiten estimar la forma y el tamaño del objeto. Si varios telescopios están colocados a lo largo de ella, cada uno ve la estrella apagarse durante un tiempo distinto; esos tiempos permiten dibujar el contorno. Ese tramo que cada telescopio «recorta» se llama cuerda.

Un ejemplo con un cuerpo grande: el 6 de noviembre de 2010, un equipo dirigido por Bruno Sicardy observó desde varios lugares una ocultación de Eris, otro planeta enano más allá de Neptuno. Obtuvieron un radio de unos 1163 km, parecido al de Plutón, y una superficie muy brillante, y no encontraron una atmósfera apreciable[4]. Aquí el truco funcionó porque el objeto era grande.

Con objetos pequeños es mucho más difícil, porque hay que saber con gran precisión por dónde pasará la sombra. Veamos un caso en que se intentó, y en que no todo salió bien.

5. ¿Qué pasó cuando se intentó medir Arrokoth antes de que llegara una sonda?

Arrokoth (designación provisional 2014 MU69) fue descubierto en 2014 con el telescopio espacial Hubble, durante una búsqueda de un objetivo para la sonda New Horizons después de su paso por Plutón[2]. Antes del sobrevuelo, un equipo dirigido por Marc Buie intentó observar sus ocultaciones en 2017. Ese año hubo tres intentos. El 3 de junio, con 25 estaciones móviles y telescopios fijos, no se detectó nada. El 10 de julio, el observatorio aéreo SOFIA registró una cuerda muy corta. El 17 de julio, 24 estaciones desplegadas lograron cinco cuerdas que mostraban una forma complicada, compatible con dos lóbulos unidos, de unos 20 × 30 km en total y con un albedo de alrededor del 10 %. En agosto de 2018, otras 22 estaciones obtuvieron dos cuerdas más[5].

No se encontraron anillos ni escombros. Y esos datos, además de dar el tamaño, ayudaron a ubicar el objeto con mucha precisión, algo clave para la navegación de la sonda[5]. El 1 de enero de 2019, New Horizons pasó junto a Arrokoth y confirmó que es un «binario de contacto», dos lóbulos unidos, con aspecto de muñeco de nieve parcialmente aplastado, de unos 30 km de largo[2][6]. La forma de la ocultación del 17 de julio ya lo había anticipado.

6. ¿Qué queda todavía por descubrir más allá de Neptuno?

Los más de 2000 objetos catalogados son una fracción pequeña de los que se cree que hay[2]. Y casi todos se han estudiado solo como puntos de luz. Arrokoth es, hasta ahora, un caso casi único en que se pudo comparar una medida desde la Tierra con una imagen tomada de cerca, y las dos coincidieron en lo esencial.

Esto deja una lección sobre cómo trabaja la ciencia: un solo dato (el brillo) no alcanzó, y hizo falta combinar varios (posición, ocultaciones, sobrevuelo). Y también que en una ocultación los fracasos, como el del 3 de junio, forman parte del trabajo.

7. ¿Cómo comprobar la idea de la ocultación con una lámpara y un lápiz?

Elige una luz pequeña y lejana, como una lámpara al otro lado de la habitación. Estira el brazo y pon un lápiz delante de ella. Mueve la cabeza a izquierda y derecha: verás en qué posiciones el lápiz tapa la luz. Observa cuánto tienes que mover la cabeza para que la luz desaparezca y vuelva a aparecer. Es solo una demostración: depende del grosor del lápiz y también de las distancias. Los astrónomos usan una idea parecida con la sombra de un objeto, pero además necesitan conocer la velocidad de la sombra y la geometría del paso. Hazlo con una luz artificial; no mires nunca al Sol directamente.

Si quieres leer más, el resumen del artículo de Buie y sus colegas está en inglés en la fuente 5 y cuenta con detalle las ocultaciones que fallaron y las que funcionaron.

Fuentes

  1. Wikipedia en inglés, «(15760) Albion». https://en.wikipedia.org/wiki/(15760)_Albion (Fuente secundaria, leída mediante un resumen automático de la página. Se usa para la fecha del descubrimiento (30 de agosto de 1992), la magnitud 23,3, el telescopio, la afirmación de ser el primer objeto transneptuniano tras Plutón y Caronte, y el rango de diámetro 108–167 km. No se pudo contrastar con el artículo original de Jewitt y Luu, por eso esas cifras se dan con cautela. «Unos ocho millones de veces más débil» es un cálculo nuestro a partir de magnitud 6 para el límite del ojo humano.)
  2. NASA, «Kuiper Belt: Facts» (en inglés). https://science.nasa.gov/solar-system/kuiper-belt/facts/ (Fuente primaria institucional, leída mediante un resumen automático de la página. Rango de 30 a 50 ua, más de 2000 objetos catalogados, cientos de miles de más de 100 km, Plutón como primer objeto descubierto del cinturón, Arrokoth y el sobrevuelo del 1 de enero de 2019.)
  3. Wikipedia en español, «Cinturón de Kuiper». https://es.wikipedia.org/wiki/Cintur%C3%B3n_de_Kuiper (Fuente secundaria, leída mediante un resumen automático. Se usa solo para la propuesta de Julio Ángel Fernández en 1980 y para los telescopios de la búsqueda; no se contrastó con otra fuente. La propia página tiene cifras internas que no concuerdan entre sí, así que no se usaron sus cifras de objetos conocidos.)
  4. Sicardy, B. et al., «A Pluto-like radius and a high albedo for the dwarf planet Eris from an occultation», Nature 478 (2011): 493-496. https://www.nature.com/articles/nature10550 (Solo el resumen, vía Europe PMC y un resumen automático; la página de la revista no se pudo abrir. Ocultación del 6 de noviembre de 2010, radio de unos 1163 km, albedo alto, sin atmósfera por encima de unos 1 nanobar.)
  5. Buie, M. W. et al., «Size and Shape Constraints of (486958) Arrokoth from Stellar Occultations», The Astronomical Journal 159 (2020): 130. https://arxiv.org/abs/2001.00125 (Solo el resumen, leído completo. Las cuatro ocultaciones de 2017 y 2018, las cuerdas, el tamaño de unos 20 × 30 km, el albedo del 10 %, la ausencia de anillos y el uso en la navegación.)
  6. Stern, S. A. et al., «Initial results from the New Horizons exploration of 2014 MU69, a small Kuiper Belt object», Science 364 (2019): aaw9771. https://doi.org/10.1126/science.aaw9771 (Solo el resumen, vía Europe PMC y un resumen automático. Objeto de unos 30 km, con forma de dos lóbulos unidos, sin satélites ni anillos detectados.)

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