La historia del telescopio Kepler, el cazador incansable de planetas

Por Daniel Marín, el 18 mayo, 2013. Categoría(s): Astronomía • Exoplanetas • NASA • sondasesp ✎ 30

¿Son los planetas de tipo terrestre algo común en nuestra Galaxia o por el contrario son una rareza cósmica? Hace treinta años nadie sabía la respuesta a esa pregunta. Es más, nadie sabía si existían otros planetas más allá del Sistema Solar. Pocos dudaban de que así fuera, pero detectarlos quedaba fuera del alcance de la tecnología de la época. Sólo unos pocos creían que serían capaces de resolver semejante desafío. Entre ellos se encontraba Bill Borucki, el ‘padre’ del telescopio espacial Kepler.

El telescopio espacial Kepler (NASA).

No todos los días inventa uno un método para descubrir planetas que giran alrededor de otras estrellas. Pero eso es precisamente lo que hizo Borucki junto con su colega Audrey Summers en 1983. Borucki y Summers escribieron un artículo que cambiaría, literalmente, nuestra visión del universo. El artículo se titularía The photometric method of detecting other planetary systems y aparecería un año después en la revista Icarus.

Hasta ese momento, los astrónomos pensaban que el único método prometedor para descubrir exoplanetas era la astrometría. Básicamente, la astrometría consiste en tomar imágenes a muy alta resolución de una estrella y observar las posibles oscilaciones que delatan la presencia de un planeta a su alrededor. Pero, incluso para los parámetros de hoy en día, se trata de un método tremendamente exigente. Muchos eran los que habían intentado detectar planetas astrométricamente y todos habían fracasado estrepitosamente. Quizás el fallo más sonado fue el del astrónomo Peter van de Kamp, que había anunciado al mundo el descubrimiento de planetas alrededor de la Estrella de Barnard. Lamentablemente, nadie más pudo observarlos. Los planetas de van de Kamp habían sido un simple artilugio fotográfico debido a un error de alineación de las lentes de su telescopio.

William J. Borucki (NASA).

Borucki y Summers proponían una idea completamente nueva a la par que elegante. Si tenemos la suerte de que un planeta pase delante del disco de su estrella, podremos detectar su presencia a través de la disminución de brillo del astro. Cuanto más grande sea el planeta, mayor será esta disminución. Esta técnica de detección, denominada con posterioridad como ‘método del tránsito’, en realidad ya había sido propuesta en 1971 por Frank Rosenblatt. Sin embargo, Rosenblatt había sido demasiado optimista a la hora de estimar las posibilidades de detección de un planeta usando este método y sus cálculos serían refinados por Borucki y Summers.

El problema reside en que la probabilidad de que un planeta pase por delante del disco estelar justo cuando uno esté observando es muy baja. La solución pasa por observar cientos o miles de estrellas al mismo tiempo. Por supuesto, es más fácil decirlo que hacerlo. Un planeta como Júpiter pasando delante de una estrella como el Sol reduce la luminosidad estelar en un 1% aproximadamente. Una cifra que se reduce a un 0,01% en el caso de un exoplaneta como la Tierra. Por entonces -no nos olvidemos de que estamos hablando de los primeros años 80- los instrumentos más sensibles eran claramente insuficientes para esta tarea. A partir de ese momento, el objetivo de Borucki fue trabajar de forma infatigable para demostrar que lo imposible podía hacerse realidad.

Curvas de luz de algunos planetas descubiertos por Kepler por el método del tránsito (NASA).

Borucki y Summers proponían observar 13.000 estrellas simultáneamente con detectores CCDs de nueva generación, algo que, de acuerdo con sus cálculos, permitiría descubrir un planeta de tipo joviano al año. Para descubrir mundos similares a la Tierra habría que irse necesariamente al espacio, donde -liberado de las trabas de la atmósfera- un telescopio sería capaz de llevar a cabo fotometría de alta precisión. ¡Detectar otras tierras a miles de años luz con un simple telescopio espacial! La idea parecía tan absurda que muchos astrónomos no disimularon su rechazo, cuando no su abierto desprecio, hacia Borucki.

Al fin y al cabo, ¿quién era este tipo que se atrevía a decir qué es lo que tenían que hacer los astrónomos para detectar planetas? A pesar de ser físico de formación, Borucki no era astrofísico y de hecho había trabajado diseñando los escudos térmicos del programa Apolo antes de entrar en el Centro Ames de la NASA. En el momento de publicar su famoso artículo con Summers, su trabajo había estado centrado en crear métodos de detección de rayos en otros planetas del Sistema Solar, un campo que poco o nada tenía que ver con la detección de exoplanetas. Borucki es una persona de baja estatura, afable y de voz pausada, muy lejos de ese estereotipo de ‘científico-alfa’ tan característico de otras misiones espaciales. Muchos astrónomos simplemente no se podían creer que este apocado investigador les diese lecciones en su propio campo. ¡Si casi era un ‘ingeniero’, por dios santo! Para colmo, no tenía el título de doctor, un pecado que a ojos del mundo académico lo situaba aproximadamente en la misma categoría intelectual que una ameba.

El Centro Ames de la NASA donde trabajaba Borucki se interesó por su idea y en 1984 y 1988 llevó a cabo dos congresos para estudiar la viabilidad de la  tecnología de una misión de este tipo. Como resultado, se llegaron a construir varios prototipos de los instrumentos capaces de detectar planetas mediante el método del tránsito. Muchos todavía pensaban que se trataba de una locura, pero si la idea resultaba acertada podría dar lugar a toda una revolución científica.

Borucki vio su oportunidad en 1992 cuando la NASA creó el programa Discovery de misiones de bajo coste. Inmediatamente propuso la misión FRESIP (Frequency of Earth-Size Inner Planets), consistente en un pequeño telescopio espacial que debía apuntar constantemente a un grupo de estrellas para observar tránsitos mediante un instrumento formado por una red de diodos. Con el fin de observar el mayor número de estrellas al mismo tiempo se eligió una zona cercana al plano galáctico y lejos de la eclíptica para evitar las interferencias del Sol. El tamaño del área a observar dependía del campo de visión del telescopio. Cuanto mayor fuera este, más estrellas brillantes -y, por lo tanto, cercanas- se podrían estudiar.

Diseño original de Kepler (NASA).

FRESIP fue rechazado de plano por la NASA. El apartado científico de la misión era muy interesante, pero el tribunal no se creía que los instrumentos tuviesen la sensibilidad suficiente. Es más, simplemente no se creía que se pudiesen construir instrumentos de ese tipo con la tecnología de la época. Además, el número de tránsitos al año debía ser muy bajo, así que mejor ni molestarse (es de suponer que la elección del nombre tampoco ayudó demasiado). En 1994 Borucki y su equipo volvieron a proponer FRESIP para el programa Discovery, en esta ocasión como un telescopio dotado de un espejo primario de 0,95 metros de diámetro y grandes detectores CCD situado en el punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol. Una vez más fue rechazado. Ahora la NASA creía que el telescopio sí se podía construir -aunque no se fiaba mucho de la sensibilidad de los CCDs-, pero pensaba que terminaría por exceder el coste de una misión Discovery. En este punto, muchos investigadores habrían tirado la toalla. La ‘mancha’ en el currículum que suponía una negativa de la NASA era grande, ¿pero dos? Es una situación simplemente inaceptable para muchos científicos, que en circunstancias similares prefieren abandonar o subirse a otro caballo ganador antes que fracasar otra vez. Pero no para Borucki. No tenía nada que perder y sabía que su idea podía funcionar.

El telescopio Kepler antes del lanzamiento (NASA).

Para demostrarle a la NASA que sus detectores eran viables, Borucki y su equipo construyeron en el sótano del Observatorio Lick un modelo del instrumento principal de FRESIP. Usando una antigua CCD de 512 x 512 píxels con estrellas simuladas, el experimento demostró que se podía alcanzar una precisión en las medidas fotométricas de cinco millonésimas, más que suficiente para FRESIP.

En 1995 ocurrió algo inesperado. Ese año Didier Queloz y Michel Mayor descubrieron 51 Pegasi, el primer planeta alrededor de una estrella de la secuencia principal. Contra todo pronóstico, se trataba de un planeta gigante que orbitaba muy cerca de su estrella, lo que había permitido su detección por el llamado método de la velocidad radial. Al igual que la astrometría, esta técnica observa el bamboleo de una estrella debido al tirón gravitatorio de un planeta, pero se basa en la medición de la velocidad de la estrella usando el efecto Doppler. Queloz y Mayor estaban buscando en realidad enanas marrones, no planetas, pero su histórico descubrimiento demostró que existían exoplanetas de gran tamaño a escasa distancia de su estrella. Las implicaciones para FRESIP eran enormes. La probabilidad de que un planeta idéntico a Júpiter pase delante de una estrella es muy baja -no en vano, tarda unos doce años en completar una vuelta alrededor del Sol-, ¡pero estos nuevos ‘jupíteres calientes’ tenían periodos del orden de días! FRESIP podría detectar cientos de ellos sin problemas.

Una de las placas metálicas perforadas usadas por el equipo de Kepler para simular estrellas (NASA).

En 1996 la NASA volvió a pedir propuestas para el programa Discovery. Armados con su nuevo detector CCD y los recientes descubrimientos de exoplanetas, Borucki y su equipo propusieron FRESIP una vez más. Para ahorrar costes, el telescopio estaría situado ahora en órbita solar. Se evitaría así la necesidad de cargar con el combustible y los motores necesarios para mantener una órbita de halo en L2. Tres informes independientes demostraban que la misión podría mantenerse por debajo de los límites del programa Discovery. Eso sí, había que cambiarle el nombre a la misión si querían tener alguna posibilidad. Astrónomos de la talla de Carl Sagan, Jill Tarter o Dave Koch convencieron a Borucki para bautizar el telescopio como Kepler, en honor de uno de los astrónomos más famosos de todos los tiempos. Sagan decidió seguir formando parte del equipo de Kepler hasta el momento de su muerte, a pesar de los continuos rechazos por parte de la NASA. La misión era demasiado maravillosa para no participar en ella.

Campo de visión de Kepler (NASA).

Esta vez sería la definitiva. La NASA no podía darle la espalda a una misión tan prometedora. Y, sin embargo, lo hizo. FRESIP, ahora Kepler, fue rechazada una tercera vez. ¿La razón? La NASA no se creía que los detectores pudiesen observar miles de estrellas al mismo tiempo y realizar medidas fotométricas de precisión en todas ellas. Por entonces, la fotometría de precisión se hacía de una en una estrella, ¿pero miles a la vez? Imposible.

Increíblemente, Borucki no se rindió y se empeñó en demostrarle a la NASA que Kepler era factible. Su equipo construyó un pequeño telescopio con una réplica del detector en el Observatorio Lick. Los datos se enviaban por radio al centro Ames, donde un software específico se encargaba de descifrar las curvas de luz de seis mil estrellas al mismo tiempo. El lugar era espartano. Los miembros del equipo tenían que sufrir la presencia de ratas y serpientes, y si querían ir al baño debían salir al exterior, donde merodeaban pumas salvajes. Pero con pumas o sin ellos, el equipo de Kepler demostró que era posible la fotometría de múltiples objetivos al mismo tiempo. La siguiente oportunidad llegó en 1998 y, como se pueden imaginar, ¡Kepler fue rechazado por cuarta vez!

Pequeño telescopio construido por el equipo de Kepler para demostrar la posibilidad de fotometría de múltiples objetivos (NASA).

Borucki no se lo podía creer. Ahora la NASA se quejaba de que la variabilidad natural de las estrellas y la imprecisión a la hora de apuntar la nave echarían por tierra los resultados de la misión.  El equipo tuvo que demostrar una vez más que su nave estaba a la altura. Al menos esta vez la NASA cedió medio millón de dólares para que Borucki y su gente pudieran llevar a cabo sus estudios. Volvieron a simular los detectores en Tierra y estimaron la contribución de todos los elementos que podrían confundir a los instrumentos, como la cantidad de estrellas jóvenes con manchas estelares de gran tamaño o el porcentaje estrellas binarias en el campo de observación que podían dar ‘falsos positivos’ (es decir, tránsitos causados por estrellas o enanas marrones y no por planetas), entre otras incógnitas.

Los 42 detectores CCD de Kepler (NASA).
Órbita de Kepler (NASA).

Para simular la variabilidad natural de las estrellas, David Koch concibió un ingenioso sistema consistente en pasar un cable por los orificios de la placa metálica que hacían de estrellas simuladas. Dependiendo de la corriente que pasaba por el cable, éste se expandía o contraía, bloqueando más o menos luz. No funcionó. El cable se curvaba al mismo tiempo que se expandía, permitiendo la entrada de más luz en vez de menos. La solución fue hacer agujeros cuadrados y usar cables planos. Con estas mejoras, el equipo pudo demostrar que los tránsitos planetarios serían detectables a pesar del ruido natural de las estrellas.

Kepler fue finalmente aceptada por la NASA en 2001 como la misión Discovery número diez. Para entonces, muchos de los miembros del equipo de Kepler habían sido niños cuando Borucki escribió su artículo original de 1983. Evidentemente, Borucki había ganado gracias a su persistencia y tozudez. El lanzamiento estaba inicialmente planeado para 2006, pero fue retrasado varias veces. Gran parte de la culpa de esos retrasos se debieron a los recortes que la NASA sufrió en 2005, cuando Borucki tuvo que despedir a todo su equipo para volver a contratarlo al año siguiente. Por fin, el observatorio Kepler despegó el 7 de marzo de 2009 a bordo de un Delta II 7925-10L desde la rampa 17B de la Base Aérea de Cabo Cañaveral. Existían dos Delta II preparados para lanzar un satélite militar GPS y Kepler. En principio, Kepler debía despegar después del GPS, pero los militares querían comprobar que la tercera etapa del cohete funcionaba correctamente después de haber detectado algunos fallos en la misma. El observatorio serviría de conejillo de indias. Afortunadamente, la tercera etapa funcionó impecablemente.

Kepler era una nave espacial con una masa de 1052,4 kg dotada de un telescopio Schmidt con un diámetro de 1,4 metros y una lente correctora de 0,95 metros. Su campo de visión era un área de 100º en la constelación del Cisne y usaba 42 detectores CCDs de 2200 x 1024 píxels -con un total de 95 megapíxels- refrigerados a -85º C. Los detectores tomaban medidas del brillo de cada estrella cada seis segundos y luego promediaban los datos correspondientes a media hora de observación. Esos datos se almacenaban en la nave durante un mes antes de enviarse a la Tierra. Kepler se dedicó a observar unas 170.000 estrellas, la mayoría de ellas demasiado lejanas y débiles para poder ser estudiadas con instrumentos terrestres. Pero no importaba, porque Kepler era ante todo una misión estadística, dedicada a descubrir la frecuencia de los distintos tipos de planetas alrededor de estrellas de tipo solar.

Lanzamiento de Kepler (NASA).
Observatorio Kepler (NASA).

Kepler completó su misión primaria el 12 de noviembre de 2012, dando paso a la misión extendida que debía durar hasta 2016. Durante esos tres años y medio, la misión se llevó a cabo sin sobresaltos, a pesar de que las estrellas del campo de visión resultaron ser más variables de lo inicialmente previsto y de que algunos de los detectores presentaron algunos problemas. Por culpa de esta variabilidad estelar adicional, la misión requeriría al menos seis tránsitos en vez de tres para confirmar la existencia de una exotierra. Uno de los volantes de inercia de la nave falló ese mismo año. Al igual que otros vehículos espaciales, Kepler usaba tres volantes de inercia para apuntar constantemente a la misma región del cielo. A diferencia de otras naves, Kepler necesita los tres, y ni uno menos, para mantener la altísima precisión requerida si se quieren buscar exotierras (para planetas de mayor tamaño no es necesaria tanta precisión). El telescopio espacial fue lanzado con cuatro volantes, uno de ellos de reserva. Cada uno de ellos tiene una masa considerable, por lo que el equipo de Kepler no se pudo permitir el lujo de incorporar más de cuatro. Por eso y por el límite del presupuesto de la misión. El pasado 15 de mayo falló un segundo volante de inercia, lo que trajo consigo el final de las observaciones científicas.

Kepler-62, un sistema con dos supertierras habitables descubierto por Kepler (NASA).

Gracias a Kepler conocemos planetas circumbinarios que giran alrededor de dos estrellas al mismo tiempo, supertierras habitables (como Kepler-22b, Kepler-62e o Kepler-62f) o mundos más pequeños que Mercurio (como Kepler-37b). Y todo ello por la módica cantidad de 600 millones de dólares. Cuando Borucki presentó su artículo original no se conocía ningún planeta fuera del Sistema Solar. En estos últimos cuatro años, Kepler ha descubierto más de 2.470 candidatos a exoplanetas, revolucionando nuestra visión del cosmos y pasando a la historia como una de las misiones más importantes de la NASA. Ahora, cada vez que contemplemos el cielo nocturno podemos asegurar sin temor a equivocarnos que la inmensa mayoría de estrellas que vemos tienen uno o más planetas a su alrededor. La Tierra ya no está sola en el Universo.

Candidatos a planetas de Kepler en función de su tamaño (NASA).

Referencias:



30 Comentarios

  1. Este articulo ya esta entre mis favoritos, a este hombre le tendrian que dar el premio a la perseverancia. Porque la gente de la Nasa fue tan miope?

    1. Lo bueno es que durante ese tiempo se pudieron desarrollar sensores pas precisos y mejores soluciones. Imáginate que lo lanzan a la primera y no hubiesen tenido en cuenta la variabilidad de las estrellas.

  2. Kepler,Planck, Herschel, nos vamos a quedar sin tres telescopios espaciales en poco tiempo.

    Esperemos que el telescopio Hubble siga portandose como un campeón.

  3. La última gráfica, es curioso, no se ajusta a una normal de Gauss xD. O hay un sesgo, y detectamos menos de los de la derecha de lo que cabe esperar, o existe un sesgo en todo el mecanismo de formación planetaria. Y yo diría que se debería ajustarse, porque cada flanco sí lo hace.

  4. Hay aparatos que se han mandado al espacio que cuando se recuperen van a formar un museo que me hace babear más que un sanbernando. Y el Kepler es uno de ellos.

    Por cierto Daniel en el último párrafo te has salido.

    Gracias.
    Saludos.

    1. Me acabo de acordar de un libro (hablo de memoria) que se llama «las arrugas del tiempo» que narra la vivencia del proyecot que llegó a medir las arrugas de la radiación de fondo (los restos del big bang).

      Leyendo tu artículo me lo ha recordado.

      Si no lo habéis leído y queréis ver cómo se gestan estos proyectos … es recomendable.

      Saludos.

    1. Ah, Struve, gran pionero. El problema es que él se centró en el método de la velocidad radial, no en el del tránsito. Por eso en la literatura se considera a Rosenblatt, Borucki y Summers como los padres del método a nivel práctico. Pero vamos, que fue una mente preclara como pocas.

      Un saludo.

  5. Yo confío ilusionado en que TESS, que será lanzado en 2017. La gente del MIT espera encontrar hasta 1.000 exoplanetas en sus primeros dos años de funcionamiento. Además cuando se lanze el telescopio James Webb podrán trabajar en tándem uno localizando expoplanetas y el otro analizando su atmósfera.

    La exploración espacial y nuestra ilusión no se detienen…

    1. TESS es una misión fascinante, pero no es la heredera de Kepler. Kepler era una misión estadística, mientras que TESS pretende detectar planetas relativamente cercanos a la Tierra. Las probabilidades de que TESS descubra una exotierra son bajas. Kepler podría haber detectado miles de ellas de haber durado hasta 2016. Una pena. A cambio, TESS nos descubrirá planetas que puedan ser estudiados desde la TIERRA o mediante el JWST (pero olvídate de analizar atmósferas de exotierras, el JWST sólo será capaz de analizar la atmósfera de planetas muy cercanos a su estrella).

      Saludos.

    2. Pero, Daniel, entonces ¿por qué la NASA dice en su web que el TESS monitoreará en 2 años más de 500.000 estrellas cercanas, en las que -estiman- podrá encontrar miles de exoplanetas?

    3. Porque es verdad XD
      Maticemos:
      1) No las observará continuamente (a diferencia de Kepler).
      2) Debido a 1) las probabilidades de encontrar exotierras son menores que con Kepler.
      3) TESS pondrá el énfasis en supertierras con radios menores a dos veces el terrestre, pero no en la zona habitable (no son exotierras).
      4) TESS detectará entre mil y diez mil planetas (con suerte alguna exotierra. con suerte).

      TESS es una misión maravillosa y apasionante. Pero no es Kepler.

    4. Gracias por contestar, Daniel. Y perdona si te incordio otra vez… En un comunicado de prensa (5/abr/2013) la NASA decía, refiriéndose al TESS: «Its goal is to identify terrestrial planets in the HABITABLE ZONES of nearby stars.» ¿Esto no significa que sí identificará planetas en zonas habitables?

    5. «terrestrial planets in the HABITABLE ZONES of nearby stars» hace referencia principalmente a supertierras habitables, que no son exctamente exotierras.

      Creo que ya lo puse en el anterior comentario, pero se ve que no lo dejé claro: TESS podrá detectar exotierras (exotierras que además podrán ser estudiadas por instrumentos terrestres, a diferencia de Kepler), pero no es una misión estadística como Kepler. Dicho de otra forma, TESS no tiene como objetivo calcular la frecuencia de planetas terrestres en la Galaxia. ¿Detectará TESS supertierras habitables? Casi con toda seguridad. ¿Exotierras? Menos probable, pero se cree que detectará al menos alguna. Todo depende de cuánto tiempo funcione. En ambos casos, la mayoría (quizás todas) en estrellas de tipo M.

  6. Parece que la NASA es la mala de la película. ¿Pero qué hubiera pasado si se hubiera lanzado la misión antes con detectores menos precisos y no hubiese funcionado bien? ¿Cuántos años se habría retrasado la siguiente misión de búsqueda de planetas?

    El mérito de este hombre es tremendo, pero el éxito de la misión seguramente se deba también a los que pusieron pegas y obligaron a mejorarla.

    1. El ejemplo de lo que podria haber ocurrido se llama Corot. Es europea y estuvo funcionando a la vez que Kepler. Por algun motivo que no entiendo sus resultados fueron inferiores a los de Kepler.

      Me preocupa que TESS no cumpla sus expectativas.

      Saludos, Raul.

    2. La sonda COROT era mucho mas modesta que Kepler, por ejemplo solo costo 175 millones de euros, en comparacion con los 600 millones de dolares del Kepler. Luego su espejo principal era de solo 27 centimetros, en comparación con los 0.95 cm del Kepler. Por ultimo el Kepler apuntaba constantemente a la misma zona del cielo, mientras el COROT no

  7. Entrada fascinante, habría sido aún más emocionante si cuando cuentas los sucesivos «no» que le dieron a Borucki, en Europa se preparaba el telescopio CoRoT que finalmente (por lo que yo tengo entendido) ganó al Kepler en ser el primer telescopio espacial en detectar un exoplaneta (por poco, ya que CoRoT partió con una década de retraso también, y casi tampoco se lanza).

    Gracias por tu maravilloso trabajo, Daniel.

  8. Una historia fantástica para compartir. Me hizo acordar a las instituciones (bancos, entes publicos, etc.) que cuando uno presenta una aplicación te van diciendo de una corrección por cada vez que uno se presenta y no todas juntas. Muchas gracias Daniel.

  9. Bueno, aunque es triste que finalice Kepler, este 2013 no terminara sin el lanzamiento de GAIA, que con tecnicas distintas porque es como el Hiparcos, tambien tendra la posibilidad de detectar exoplanetas.

    Veremos que tal.

    Saludos, Raul.

  10. Qué lástima que Kepler ya no pueda detectar exoplanetas. Sin duda estos 3 años y medio han sido muy productivos y han dado lugar a descubrimientos fascinantes que han cambiado totalmente nuestra visión del universo. Pero desde esa perspectiva ¿cuantas maravillas más habría descubierto de haber durado la misión hasta 2016?¿Cuántos planetas similares a la Tierra potencialmente habitables? Qué pena…

    Aun así Kepler ha sido una misión magnífica, de lo mejor en muchos años. Espero que sus sucesoras estén al mismo nivel.

    Viva Kepler! Y al señor Borucki deberían construirle un monumento en su honor

  11. Este Borucki me recuerda a Sagan un luchador infatigable que lucho lo inimaginable para conseguir su meta. Como dice Daniel Tess sera una buena misión pero no sera Keppler. Seguro que Johanes keppler de estar vivo estaria muy orgulloso del resultado de esta misión.

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Por Daniel Marín, publicado el 18 mayo, 2013
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