¿Cómo encontrar un anillo alrededor de un asteroide?

Este 26 de marzo se ha anunciado el descubrimiento de un sistema de anillos alrededor de un asteroide. Este es un descubrimiento bastante sorprendente, puesto que representa el primer espécimen de su especie que hemos encontrado. Hasta ahora, los sistemas de anillos estaban reservados solo para los planetas gigantes gaseosos del sistema solar: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno; pero ahora, el asteroide Cariclo se suma al selecto grupo. Dado que hay bastante información sobre este descubrimiento en sí en otros sitios, vamos a aprovechar este espacio para comentar sobre algunos conceptos generales para entender mejor este hallazgo.

¿Qué es un asteroide?

Según la última clasificación de la Unión Astronómica Internacional, un asteroide debiese llamarse «cuerpo menor del sistema solar» (que abreviaremos «CMSS» en esta entrada). Estos objetos se distinguirían por dos características claves: I) su masa no es lo suficientemente grande para que su propia gravedad lo haya moldeado como un objeto esférico o casi esférico (cosa que sí pasa con los planetas y con los planetas menores); y II) estos objetos no han sido capaces de «barrer» a otros objetos fuera de su propia órbita, porque no tienen una masa suficiente para hacerlo (esto diferencia a los planetas de los planetas menores junto con los CMSS). Además, es requisito que los CMSS, junto con los planetas y los planetas menores, orbiten alrededor del Sol.

Por otro lado, podemos clasificar a los CMSS en varias clases, según el tipo de órbita que siguen alrededor del Sol. La mayoría de estos objetos orbitan en el «Cinturón de Asteroides», entre las órbitas de Marte y Júpiter. Otros CMSS orbitan alrededor del Sol acompañando a planetas, como es el caso de los CMSS «Troyanos» y «Griegos», que se mueven en los puntos de Lagrange conocidos como L4 y L5 de la órbita de Júpiter. Incluso nuestro planeta es acompañado por un CMSS troyano. En particular, Cariclo es un CMSS de un grupo llamado «Centauros». Los CMSS Centauros orbitan entre Júpiter y Neptuno. Sus órbitas tienen una mayor elipticidad (o sea, su aspecto es más parecido a un óvalo en vez de un círculo), y por ello cruzan las órbitas de estos planetas a medida que orbitan alrededor del Sol. Podríamos decir que esta no es una buena práctica, ya que la gravedad de los gigantes gaseosos perturbará y eventualmente cambiará la órbita de los Centauros con el paso del tiempo.

Cariclo es el mayor CMSS del grupo de los Centauros que conocemos. Fue descubierto el 15 de febrero de 1997 por James V. Scotti. Generalmente, no podemos observar detalles de objetos de este tipo por medio de los telescopios, ya que lucen como puntos «no resueltos» (es decir, el telescopio no es capaz de distinguir ningún detalle, solo vemos un puntito de luz cuyo tamaño lo dicta la combinación entre la óptica del telescopio y la turbulencia atmosférica durante la observación); pero sí podemos inferir sus tamaños. Por ejemplo, podemos estimar la distancia a Cariclo (ya que es posible conocer su órbita) y también su brillo (en las imágenes de telescopio); luego, estimamos qué porcentaje de la luz solar recibida por cuerpo similar a Cariclo es reflejada de vuelta al espacio, y comparamos esta magnitud con el brillo que hemos observado. Sin embargo, pueden notar que tenemos algunos problemas, y es que estamos estimando un parámetro. Entonces ¿cómo podemos conocer la forma y tamaño reales de objetos como Cariclo? Acá entra en juego una idea muy ingeniosa, que es el método de las ocultaciones estelares.

¿Qué es una ocultación, qué podemos aprender de ella y cómo extraemos información útil?

Una ocultación es un fenómeno astronómico en que un objeto celeste cruza por delante de otro, ocultando el primero la luz del segundo. Podríamos decir que es una especie de eclipse, pero el objeto que se oculta no es ni el Sol ni la Luna. La semejanza con un eclipse viene en que ocurre una alineación perfecta entre un observador (generalmente en la Tierra) y dos objetos del sistema solar (por ejemplo, la Luna ocultando a Júpiter); o entre un observador en la Tierra, un objeto del sistema solar y una estrella lejana (como fue el caso de Cariclo ocultando a la estrella UCAC4 248-108672).

Dado que entendemos los efectos de la gravedad sobre los cuerpos con bastante precisión, podemos predecir cuándo ocurrirán estas alineaciones entre observadores en la Tierra, cuerpos del sistema solar y estrellas lejanas. ¿Para qué? se preguntarán. Bueno, por medio de una ocultación podemos derivar parámetros como la forma y el tamaño de objetos como Cariclo. ¿Cómo? Simple, midiendo el tamaño y forma de su sombra. Imaginen que estiran su mano frente a ustedes, y a lo lejos hay un farol. Vamos a mover nuestra mano de un lado a otro, de manera de ocultar el farol con la palma mano. Comenzamos ocultando el farol por un lado de nuestra mano, y movemos el brazo para que el farol aparezca por el otro lado. Mientras hacemos esto, mediremos el tiempo que transcurre entre que dejamos de ver el farol y cuando aparece nuevamente. Lo interesante es que si sabemos a qué distancia está nuestra mano de nuestro ojo, y a qué velocidad se mueve, entonces podemos usar el tiempo que acabamos de medir para conocer el tamaño de nuestra mano. Si se fijan bien, lo que estamos haciendo es medir el tamaño de la sombra que proyecta nuestra mano gracias al farol. Suena bastante simple. Si queremos tener más información sobre la forma y tamaño de nuestra mano, simplemente necesitamos medir el tamaño de la sombra, por medio del tiempo que tarda la ocultación del farol, vista desde otros ángulos. Por ejemplo, si subimos nuestra cabeza levemente con respecto a nuestra mano (dejando fija nuestra mano), y repetimos el experimento, vamos a medir la zona de los dedos en vez de la palma; si bajamos nuestra cabeza y repetimos el experimento, lo más probable es que midamos la zona de la muñeca. Este es el «truco» para estudiar asteroides con este método: tener observadores en diferentes lugares de la Tierra, para medir la sombra del objeto en diferentes partes de este. Mientras más observaciones realicemos, más información sobre la forma del objeto tendremos. Para graficarlo de otra manera, imaginemos cómo veríamos esto desde el espacio, mientras observadores en la Tierra miden una ocultación. La «sombra» de un CMSS (producto de bloquear la luz de la estrella de fondo), aparece proyectada sobre una zona de la Tierra en un momento dado. Como el CMSS y la Tierra se mueven, veríamos que la sombra se desplaza sobre la superficie de nuestro planeta.

Figura 1: Representación de una ocultación estelar producida por un asteroide, para tres observadores situados en la Tierra. Obviamente, los observadores en la Tierra debiesen estar en el lado del planeta que está de noche, pero lo importante acá es entender la ocultación estelar.

La figura 1 muestra una ilustración de esto, con tres observadores («1», «2» y «3»). Los trazos rojos muestran qué zona del CMSS ocultará a la estrella según cada observador, a medida que este se desplaza, aparentemente, sobre la estrella. El observador en el lugar «1» medirá la ocultación más breve de los tres; la persona en «2» medirá la ocultación más larga; y el que está en «3» medirá un tiempo de ocultación entre los resultados de «1» y «3». Debemos notar que no importa que los observadores estén alineados o posicionados de alguna manera en particular sobre la Tierra, sólo importa saber el movimiento relativo de la sombra del objeto sobre el observador y que este mida la duración de la ocultación. En el caso de Cariclo, su sombra se proyectó sobre América del Sur, y la duración de las ocultaciones fue registrada por 11 observatorios diferentes en Chile, Argentina, Uruguay y Brasil (de hecho, se realizan varias campañas de observación de ocultaciones ¡en las que la participación de aficionados a la astronomía es muy valiosa! (sitio en español)). Al igual que con el ejemplo de nuestra mano, conocemos la distancia entre la Tierra y Cariclo, y las velocidades de ambos alrededor del Sol. Usando el método que hemos descrito, cada observador puede determinar el tamaño de la sección de Cariclo que ocultó a la estrella de fondo desde su perspectiva; y si juntamos los datos obtenidos por los 11 observatorios, tendremos una mejor idea de su forma y tamaños verdaderos. Pero aún nos queda una duda:

¿Cómo se encontró que existía un anillo alrededor de Cariclo?

Como acabamos de ver, a mayor número de observadores, más detalles podemos inferir de la forma de un objeto por el método de ocultaciones estelares. ¡Pero eso no fue todo! En el caso de Cariclo, los astrónomos observaron disminuciones en el brillo de la estrella algunos segundos antes, y algunos segundos después de la ocultación de Cariclo propiamente tal.

Este es el video de la ocultación, que también muestra un gráfico de intensidad de la luz de la estrella vs tiempo (este tipo de gráfico se llama curva de luz). Lo más interesante, es que durante estas disminuciones secundarias aún detectamos algo de luz de la estrella, lo que nos dice que el objeto que está pasando entre la estrella y nosotros no es completamente opaco o un sólido compacto (en el sentido de macizo). Los astrónomos aplicaron el método que discutimos anteriormente (recordemos que tenían más de 10 estaciones de observación), y determinaron que la forma corresponde a las ocultaciones secundarias es ¡un sistema de dos anillos! Otra cosa a notar, al margen, es que la imagen de la estrella pareciera estar «bailando» en todo momento. Esto se debe a la turbulencia que constantemente experimentan las capas de la atmósfera, y que distorsiona las imágenes que obtenemos con nuestros telescopios desde la Tierra (¡y es una de las razones para enviar telescopios al espacio!). Este es el mismo fenómeno que percibimos como el «titilar de las estrellas», cuando las miramos a simple vista.

[Actualización 27/03/2014 – 6:32 UTC]

El lector perspicaz habrá notado que hemos mencionado que se ha descubierto un sistema de dos anillos, pero en la curva de luz del video pareciese haber solo un anillo (el mínimo secundario inicial, cuando pasa un extremo del anillo; y el final, cuando pasa el otro extremo del anillo). Jorge encontró la curva de luz real (en este tuit) observada con el telescopio Danés de 1.54 metros en el observatorio La Silla, en Chile. Este gráfico (Figura 2) nos entrega la información clave para «ver» los dos anillos del sistema (no quise mencionar este detalle anteriormente, dado que no tenía esta información crucial para explicar este punto, y es lo que luego motivó esta actualización). El tiempo de observación de la curva de luz se encuentra en la abscisa del gráfico (eje horizontal), y la intensidad relativa de la estrella más la de Cariclo en la ordenada (eje vertical).

Figura 2: Curva de luz de la ocultación observada con el telescopio Danés de 1.54 metros en La Silla, Chile. Imagen de @astroprofhoff en Twitter.

 

Podemos ver que el ingreso del anillo externo (y que se supone más tenue o fino por lo que muestra este gráfico) ocurre justo antes del segundo 23.121 (2013CR2) con un valor mínimo de 0,9. Por esto, se espera que el objeto que absorvió la luz de la estrella de fondo en ese momento no sea sólido macizo, pues alrededor del 90 % de la luz de la estrella pasó a través (esto concuerda muy bien con lo observado en la composición de los anillos de los planetas gaseosos, pequeñas partículas). Menos de un segundo después cruza el anillo interno, y más prominente, (2013CR1) (pues absorbe alrededor de un 75 % de la luz de la estrella de fondo). Alrededor de siete segundos después (23.128), ocurre el mínimo producido por Cariclo (que dura unos 5 segundos y que bloquea toda la luz de la estrella de fondo). Otros siete segundos más (23.140) y «veremos» el paso del otro extremo del anillo interno y prominente (2013C1R), seguido menos de un segundo después por el paso del anillo externo y más débil (2013C2R). Notemos que el mínimo de la curva de luz no es precisamente cero, pues Cariclo también refleja luz solar, pero es muy tenue comparado con la estrella. Un ejercicio que queda para el lector es imaginar la sombra que proyectaría Cariclo y sus anillos sobre el planeta Tierra, si fuese el observador de la figura 1, y aplicando lo que ya explicamos en la sección anterior. Dejamos también la recreación de un artista de Cariclo y sus anillos, en la figura 3.

Figura 3: Recreación artística de Cariclo y su sistema de dos anillos. Noten que el anillo externo fue representado más tenue que el anillo interno.
Crédito: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

[Fin actualización.]

Para finalizar, creo que este descubrimiento trae entretenidas preguntas. Por ejemplo, ¿cómo se formó este anillo?, o lo que encuentro más curioso, ¿por cuánto tiempo, y cómo puede sobrevivir un sistema de anillos alrededor de un objeto con una masa así de pequeña?, o ¿qué tan frecuentes son los sistemas de anillos en planetas menores y CMSS? Creo que el firmamento nos sorprendió nuevamente, y esta no será la última vez que lo haga.

Bibliografía:

http://www.eso.org/public/news/eso1410/

http://www.iau.org/public_press/news/release/iau0603/questions_answers/

También recomiendo leer las entrada en el blog de nuestras amigas de Star tres, con más detalles sobre Cariclo; y el blog de nuestros amigos de Cosmonoticias con la información sobre este descubrimiento de la ESO en español.