21.E: El nacimiento de las estrellas y el descubrimiento de planetas fuera del Sistema Solar (Ejercicios)

Para una mayor exploración

Artículos

Formación Estelar

Blaes, O. “Un Universo de Discos”. Scientific American (Octubre 2004): 48. En discos de acreción y chorros alrededor de estrellas jóvenes y agujeros negros.

Croswell, K. “El cinturón de polvo de al lado [Tau Ceti]”. Scientific American (enero 2015): 24. Breve introducción a observaciones recientes de planetas y un cinturón ancho de polvo.

Frank, A. “Starmaker: La nueva historia del nacimiento estelar”. Astronomía (julio de 1996): 52.

Jayawardhana, R. “Espiando a Viveros Estelares”. Astronomía (noviembre de 1998): 62. En discos protoplanetarios.

O'Dell, C. R. “Explorando la Nebulosa de Orión”. Sky & Telescope (Diciembre 1994): 20. Buena revisión con resultados del Hubble.

Ray, T. “Fuentes de la Juventud: Primeros Días en la Vida de una Estrella”. Scientific American (agosto de 2000): 42. Sobre salidas de estrellas jóvenes.

Young, E. “Nublado con probabilidad de estrellas”. Scientific American (febrero de 2010): 34. Sobre cómo las nubes de materia interestelar se convierten en sistemas estelares.

Joven, Mónica “Haciendo Estrellas Masivas”. Sky & Telescope (Octubre 2015): 24. Modelos y observaciones sobre cómo se forman las estrellas más masivas.

Exoplanetas

Billings, L. “En busca de Júpiter Extranjeros”. Scientific American (agosto de 2015): 40—47. La carrera por la imagen de planetas jovianos con instrumentos actuales y por qué una imagen directa de un planeta terrestre aún está en el futuro.

Heller, R. “Mejor que la Tierra”. Scientific American (enero de 2015): 32—39. Qué tipo de planetas pueden ser habitables; también deberían considerarse las supertierras y las lunas planetarias jovianas.

Laughlin, G. “Cómo los mundos salen de Whack”. Sky & Telescope (Mayo 2013): 26. Sobre cómo los planetas pueden migrar desde los lugares que forman en un sistema estelar.

Marcy, G. “La Nueva Búsqueda de Planetas Distantes”. Astronomía (Octubre 2006): 30. Breve descripción. (El mismo número tiene un dramático atlas visual desplegable de planetas extrasolares, de esa época).

Redd, N. “¿Por qué no hemos encontrado otra tierra?” Astronomía (febrero de 2016): 25. Buscando planetas terrestres en la zona habitable con evidencia de vida.

Seager, S. “Exoplanetas en todas partes”. Sky & Telescope (Agosto 2013): 18. Una excelente discusión de algunas de las preguntas frecuentes sobre la naturaleza y disposición de los planetas que existen.

Seager, S. “La caza de las súper tierras”. Sky & Telescope (Octubre 2010): 30. La búsqueda de planetas que sean hasta 10 veces la masa de la Tierra y lo que nos puedan enseñar.

Villard, R. “La caza de planetas terrenales”. Astronomía (Abril 2011): 28. Cómo esperamos encontrar y caracterizar a la SuperTierra (planetas algo más grandes que los nuestros) utilizando nuevos instrumentos y técnicas que puedan mostrarnos de qué están hechas sus atmósferas.

Sitios web

Exploración de exoplanetas: http://planetquest.jpl.nasa.gov/. PlanetQuest (del programa Navigator en el Jet Propulsion Lab) es probablemente el mejor sitio para estudiantes y principiantes, con materiales introductorios y bonitas ilustraciones; se centra principalmente en el trabajo y las misiones de la NASA.

Exoplanetas: www.planetary.org/exoplanets/. Páginas de exoplanetas de Planetary Society con un catálogo dinámico de planetas encontrados y buenas explicaciones.

Exoplanetas: La búsqueda de planetas más allá de nuestro Sistema Solar: http://www.iop.org/publications/iop/...age_42551.html. Del Instituto Británico de Física en 2010.

Enciclopedia de Planetas Extrasolares: http://exoplanet.eu/. Mantenido por Jean Schneider del Observatorio de París, cuenta con el mayor catálogo de descubrimientos de planetas y material de fondo útil (algunos de ellos más técnicos).

Formación de Estrellas: https://www.spacetelescope.org/scien...tion_of_stars/. Página de Formación Estelar del Telescopio Espacial Hubble, con enlaces a imágenes e información.

Misión Kepler: kepler.nasa.gov/. El sitio web público para el notable telescopio en el espacio que está buscando planetas usando la técnica de tránsito y es nuestra mejor esperanza para encontrar planetas terrestres.

Proxima Centauri Planet Discovery: http://www.eso.org/public/news/eso1629/.

Aplicaciones

Exoplaneta: itunes.apple.com/us/app/exopl... 327702034? mt=8. Permite navegar a través de un catálogo visual actualizado periódicamente de exoplanetas que se han encontrado hasta el momento.

Viaje a los exoplanetas: itunes.apple.com/us/app/journ... 463532472? mt=8. Producido por el staff de Scientific American, con aportes de científicos y artistas espaciales; da información de fondo y recorridos visuales de los sistemas estelares más cercanos con planetas.

Videos

Nace una estrella: www.discovery.com/tv-shows/ot... -estrella-ha nacido/. Video de Discovery Channel con la astrónoma Michelle Thaller (2:25).

Estamos solos: un diálogo vespertino con los líderes de la misión Kepler: http://www.youtube.com/watch?v=O7ItAXfl0Lw. Un panel de discusión no técnico sobre los resultados de Kepler e ideas sobre la formación de planetas con Bill Borucki, Natalie Batalha y Gibor Basri (moderado por Andrew Fraknoi) en la Universidad de California, Berkeley (2:07:01).

Encontrar la siguiente Tierra: Los últimos resultados de Kepler: https://www.youtube.com/watch?v=ZbijeR_AALo. Natalie Batalha (San Jose State University & NASA Ames) charla pública en la serie de conferencias de astronomía de Silicon Valley (1:28:38).

De Júpiter Calientes a Mundos Habitables: vimeo.com/37696087 (Parte 1) y vimeo.com/37700700 (Parte 2). Charla pública de Debra Fischer (Universidad de Yale) en Hawaii patrocinada por el Observatorio Keck (15:20 Parte 1, 21:32 Parte 2).

Búsqueda de Exoplanetas Habitables: http://www.youtube.com/watch?v=RLWb_T9yaDU. Charla pública Sara Seeger (MIT) en el Instituto SETI, con resultados Kepler (1:10:35).

Extrañas Vistas Planetarias: http://www.youtube.com/watch?v=_8ww9eLRSCg. Charla pública de Josh Carter (CfA) en el Centro de Astrofísica de Harvard con una introducción amistosa a los exoplanetas para no especialistas (46:35).

Actividades de Grupo Colaborativo

1. Su grupo es un subcomité de científicos que examinan si alguno de los “Júpiter calientes” (planetas gigantes más cercanos a sus estrellas que Mercurio está al Sol) podría tener vida sobre ellos o cerca de ellos. ¿Puedes encontrar lugares en, dentro o cerca de esos planetas donde la vida podría desarrollarse o donde algunas formas de vida podrían sobrevivir?
2. Una pareja adinerada (que son ex alumnos de tu colegio o universidad y aman a los bebés) deja el programa de astronomía varios millones de dólares en su voluntad, para gastar de la mejor manera posible en buscar “estrellas infantiles en nuestra sección de la Galaxia”. A tu grupo se le ha asignado la tarea de asesorar al decano sobre la mejor manera de gastar el dinero. ¿Qué tipo de instrumentos y programas de búsqueda recomendarías y por qué?
3. Algunas personas consideran que el descubrimiento de cualquier planeta (incluso Júpiter calientes) alrededor de otras estrellas es uno de los eventos más importantes en la historia de la investigación astronómica. Algunos astrónomos se han sorprendido de que el público no esté más entusiasmado con los descubrimientos del planeta. Una razón que se ha sugerido para esta falta de sorpresa pública y emoción es que las historias de ciencia ficción nos han preparado desde hace mucho tiempo para que haya planetas alrededor de otras estrellas. (The Starship Enterprise en la serie de televisión Star Trek de la década de 1960 encontró algunos en casi todos los episodios semanales). ¿Qué opina tu grupo? ¿Sabías del descubrimiento de planetas alrededor de otras estrellas antes de tomar este curso? ¿Lo consideras emocionante? ¿Te sorprendió enterarte de ello? ¿Crees que las películas y los libros de ciencia ficción son buenas o malas herramientas para la educación astronómica en general?
4. ¿Y si los futuros instrumentos espaciales revelan un exoplaneta terrestre con cantidades significativas de oxígeno y metano en su atmósfera? Supongamos que el planeta y su estrella están a 50 años luz de distancia. ¿Qué sugiere su grupo a continuación que hagan los astrónomos? ¿Cuánto esfuerzo y dinero recomendarías que se dedicara a conocer más sobre este planeta y por qué?
5. Discuta con su grupo la siguiente pregunta: ¿cuál es más fácil de encontrar orbitando una estrella con los instrumentos que tenemos hoy en día: un planeta joviano o un disco protoplanetario? Hacer una lista de argumentos para cada lado de esta pregunta.
6. (Esta actividad debe realizarse cuando tu grupo tenga acceso a internet). Ir a la página que indexa todas las imágenes del Telescopio Espacial Hubble publicadas públicamente por tema: http://hubblesite.org/newscenter/arc... /explorar/imagen/. Bajo “Estrella”, ve a “Disco protoplanetario” y encuentra un sistema —no mencionado en este capítulo— que le guste a tu grupo, y prepara un breve reportaje a la clase sobre por qué te parece interesante. Entonces, bajo “Nebulosa”, ve a “Emisión” y encuentra una región de formación estelar no mencionada en este capítulo, y prepara un breve reportaje a la clase sobre lo que te parezca interesante al respecto.
7. Existe un sitio web de “ciencia ciudadana” llamado Planet Hunters (http://www.planethunters.org/) donde puedes participar en la identificación de exoplanetas a partir de los datos que Kepler proporcionó. Su grupo debe acceder al sitio, trabajar juntos para usarlo y clasificar dos curvas de luz. Informa de nuevo a la clase sobre lo que has hecho.
8. Yuri Milner, multimillonario ruso-estadounidense, recientemente prometió 100 millones de dólares para desarrollar la tecnología para enviar muchas sondas miniaturizadas a una estrella en el sistema triple estelar Alpha Centauri (que incluye Próxima Centauri, la estrella más cercana a nosotros, ahora conocida por tener al menos un planeta). Cada pequeña sonda será propulsada por potentes láseres al 20% de la velocidad de la luz, con la esperanza de que una o más puedan llegar de manera segura y poder devolver información sobre cómo es ahí. Su grupo debe buscar en línea más información sobre este proyecto (llamado “Avance: Starshot”) y discutir sus reacciones a este proyecto. Dar razones específicas para sus argumentos.

Preguntas de revisión

1. Dar varias razones la nube molecular de Orión es un “laboratorio” tan útil para estudiar las etapas de formación estelar.
2. ¿Por qué es más probable que la formación estelar ocurra en nubes moleculares frías que en regiones donde la temperatura del medio interestelar es de varios cientos de miles de grados?
3. ¿Por qué hemos aprendido mucho sobre la formación estelar desde la invención de detectores sensibles a la radiación infrarroja?
4. Describa lo que sucede cuando se forma una estrella. Comienza con un denso núcleo de material en una nube molecular y traza la evolución hasta el momento en que la estrella recién formada alcanza la secuencia principal.
5. Describir cómo la etapa estelar T Tauri en la vida de una estrella de baja masa puede conducir a la formación de un objeto Herbig-Haro (H-H).
6. Observe las cuatro etapas que se muestran en la Figura\(21.1.7\) en la Sección 21.1. ¿En qué etapa (s) podemos ver la estrella en luz visible? ¿En radiación infrarroja?
7. La trayectoria evolutiva para una estrella de 1 masa solar permanece casi vertical en el diagrama H-R por un tiempo (ver Figura\(21.2.1\) en la Sección 21.2). ¿Cómo cambia su luminosidad durante este tiempo? ¿Su temperatura? ¿Su radio?
8. Dos protoestrellas, una 10 veces la masa del Sol y la mitad de la masa del Sol nacen al mismo tiempo en una nube molecular. ¿Cuál será el primero en llegar a la etapa de secuencia principal, donde es estable y obteniendo energía de la fusión?
9. Compare la escala (tamaño) de un disco polvoriento típico alrededor de una estrella en formación con la escala de nuestro sistema solar.
10. ¿Por qué es tan difícil ver planetas alrededor de otras estrellas y tan fácil verlos alrededor de las nuestras?
11. ¿Por qué los astrónomos tardaron hasta 1995 en descubrir el primer exoplaneta orbitando otra estrella como el Sol?
12. ¿Qué tipos de planetas se detectan más fácilmente mediante mediciones Doppler? ¿Por tránsitos?
13. Enumere tres formas en las que se ha encontrado que los exoplanetas que hemos detectado son diferentes de los planetas de nuestro sistema solar.
14. Enumere cualquier similitud entre exoplanetas descubiertos y planetas en nuestro sistema solar.
15. ¿Qué revisiones a la teoría de la formación de planetas han tenido que hacer los astrónomos como resultado del descubrimiento de exoplanetas?
16. ¿Por qué los Júpiter jóvenes son más fáciles de ver con imágenes directas que los Júpiter viejos?

Preguntas de Pensamiento

1. Una amiga tuya a la que no le fue bien en su clase de astronomía te dice que cree que todas las estrellas son viejas y ninguna podría nacer hoy. ¿Qué argumentos usarías para persuadirla de que las estrellas están naciendo en algún lugar de la Galaxia durante tu vida?
2. Las observaciones sugieren que se necesitan más de 3 millones de años para que el polvo comience a despejar de las regiones internas de los discos que rodean a las protoestrellas. Supongamos que este es el tiempo mínimo requerido para formar un planeta. ¿Esperarías encontrar un planeta alrededor de una 10\(M_{\text{Sun}}\) estrellas? (Consulte la Figura\(21.2.1\) en la Sección 21.2.)
3. Supongamos que quisieras observar un planeta alrededor de otra estrella con imágenes directas. ¿Intentarías observar en luz visible o en el infrarrojo? ¿Por qué? ¿Sería más fácil ver el planeta si estuviera a 1 UA o 5 AU de su estrella?
4. ¿Por qué los planetas gigantes cercanos a sus estrellas fueron los primeros en ser descubiertos? ¿Por qué no se ha utilizado todavía la misma técnica para descubrir planetas gigantes a la distancia de Saturno?
5. Los exoplanetas en órbitas excéntricas experimentan grandes oscilaciones de temperatura durante sus órbitas. Supongamos que tenías que planear una misión a tal planeta. Basado en la segunda ley de Kepler, ¿el planeta pasa más tiempo más cerca o más lejos de la estrella? Explique.

Calculando por ti mismo

1. Cuando los astrónomos encontraron los primeros planetas gigantes con órbitas de solo unos días, no sabían si esos planetas eran gaseosos y líquidos como Júpiter o rocosos como Mercurio. Las observaciones de HD 209458 resolvieron esta cuestión porque las observaciones del tránsito de la estrella por este planeta permitieron determinar el radio del planeta. Usa los datos que se dan en el texto para estimar la densidad de este planeta, y luego usa esa información para explicar por qué debe ser un gigante gaseoso.
2. Un sistema exoplanetario tiene dos planetas conocidos. El Planeta X orbita en 290 días y el Planeta Y orbita en 145 días. ¿Qué planeta está más cerca de su estrella anfitriona? Si la estrella tiene la misma masa que el Sol, ¿cuál es el semieje mayor de las órbitas para los Planetas X e Y?
3. La tercera ley de Kepler dice que el periodo orbital (en años) es proporcional a la raíz cuadrada del cubo de la distancia media (en AU) del Sol (\(P \propto a^{1.5}\)). Para distancias medias de 0.1 a 32 UA, calcule y trace una curva que muestre el periodo Kepleriano esperado. Para cada planeta de nuestro sistema solar, busque la distancia media del Sol en AU y el período orbital en años y sobregrafique estos datos sobre la curva teórica kepleriana.
4. Calcula la profundidad de tránsito para una estrella enana M que es 0.3 veces el radio del Sol con un planeta gigante gaseoso del tamaño de Júpiter.
5. Si se puede detectar una profundidad de tránsito de 0.00001 con la nave espacial Kepler, ¿cuál es el planeta más pequeño que podría detectarse alrededor de una estrella enana de 0.3\(R_{\text{sun}}\) M?
6. ¿Qué fracción de planetas gigantes gaseosos parece tener radios inflados?