¿Cómo se obtiene evidencia teórica en astronomía?

Hace algunos días, noticias sobre el supuesto nuevo “Planeta 9” acapararon titulares en todo el mundo. Algunos medios, erróneamente, hablaban del descubrimiento de un nuevo planeta del Sistema Solar. Sin embargo, aún no se ha descubierto nada nuevo: lo que se tiene es evidencia teórica que podría indicar la presencia de este planeta.

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Representación artística del “Planeta 9”. Imagen: Prokaryotes – Own work, CC BY-SA 4.0, $3 vía Wikimedia Commons.

En astronomía, a diferencia de otras áreas de la ciencia, es imposible tener un laboratorio controlado donde se puedan replicar experimentos. Solo se puede observar lo que ya está en el Universo, y obtener desde ahí hipótesis y las evidencias para confirmarlas o refutarlas. En muchos casos, la evidencia es directa: se observa un objeto o fenómeno y se puede describir qué es, usando las leyes de la física y los conocimientos que ya se tienen sobre astrofísica. Otras veces, como ocurre con el “Planeta 9”, debemos inferir conocimiento a partir de observaciones indirectas en conjunto con análisis teóricos y simulaciones computacionales.

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Evidencia indirecta

Cuando hablamos de evidencia indirecta nos referimos a que no se ha observado el objeto que creemos haber descubierto, sino sus efectos gravitacionales sobre otros objetos o cuerpos celestes.

El supuesto “Planeta 9” no ha sido observado, ni ahora ni nunca (por lo menos que se tengan reportes de ello). Lo que si se ha observado son las órbitas de distintos objetos ubicados en el Cinturón de Kuiper, una zona lejana del Sistema Solar donde orbitan distintos asteroides. Varios de estos objetos poseen trayectorias que no corresponden a lo esperado en este caso, sino que se mueven como si otro cuerpo astronómico estuviese perturbando sus órbitas. El estudio de las órbitas de estos objetos corresponden a la evidencia observacional indirecta que se tiene del “Planeta 9”.

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Las órbitas perturbadas de algunos objetos del Cinturón de Kuiper, junto con la órbita teórica del “Planeta 9”. Imagen: CALTECH.

En el caso que se confirmara la existencia del “Planeta 9” gracias a esta evidencia indirecta, no sería el primer planeta en el Sistema Solar en ser descubierto de esa forma. Los primeros planetas del Sistema Solar, desde Mercurio hasta Urano, fueron descubiertos debido a que se pueden observar en el cielo. Sus órbitas fueron calculadas analizando su movimiento en la bóveda celeste.

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Neptuno, el octavo y último planeta de nuestro Sistema Solar (al menos por ahora). Imagen del Voyager 2 vía Wikimedia Commons.

Neptuno, sin embargo, fue diferente. Se cree que Neptuno fue observado por Galileo usando los primeros telescopios, pero ni él ni otros astrónomos supieron clasificarlo como planeta: si es que realmente lo observaron, fue considerado como una estrella más. En 1781, el astrónomo sueco Anders Johan Lexell estudió cuidadosamente la órbita de Urano, y notó que habían ciertas irregularidades que calzaban con la presencia de otro cuerpo perturbando su órbita. Más tarde, en 1821, el astrónomo francés Alexis Bouvard realizó nuevos cálculos de la órbita de Urano, pero al observar al planeta notó que habían desviaciones de la órbita teórica que él había calculado.

Basándose en esa información, el matemático y astrónomo británico John Couch Adams utilizó las matemáticas y las ecuaciones de Newton para determinar la masa, posición, y órbita del planeta que, supuestamente, estaba perturbando a Urano. En paralelo, el matemático francés Urbain Le Verrier realizó los mismos cálculos. Era el año 1843 y, si bien el nuevo planeta no se había observado, la evidencia teórica parecía ser contundente.

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El Observatorio de Berlín, donde fue observado Neptuno en 1846. Imagen: Carl Daniel Freydank, Leibniz, Institut für Astrophysik Postdam. Vía Wikimedia Commons.

En 1846, tres años después de su postulación teórica, las novedades sobre un posible nuevo planeta llegaron a manos de Johann Gottfried Galle, astrónomo alemán que en ese entonces trabajaba en el Observatorio de Berlín. Justo unos minutos pasada la medianoche, el 24 de septiembre de 1846, Neptuno el planeta fue observado por primera vez, a menos de un grado de distancia de la posición predicha por Le Verrier.

Si bien el caso de Neptuno es uno de los hitos históricos de los descubrimientos mediante evidencia teórica, no es el único. En astronomía, la teoría y las observaciones de objetos distintos al que queremos estudiar se utilizan todo el tiempo para hacer descubrimientos. Por ejemplo, las estrellas que poseen planetas extrasolares ven perturbado su movimiento debido a la presencia de éstos. Debido a que en la mayoría de los casos los planetas extrasolares no pueden ser observados directamente, este movimiento de las estrellas ha sido clave en la detección de varios exoplanetas. El movimiento perturbado de las estrellas también ha llevado a descubrir sistemas estelares múltiples: una estrella que tiene movimientos inesperados no sólo puede albergar planetas, también puede tener otras estrellas en su sistema, muy pequeñas para ser observadas directamente.

Otro caso interesante en el que la evidencia teórica y observaciones indirectas han ayudado a descubrir algo que no podemos observar directamente es el de la materia oscura: esta nunca ha sido observada, pero las mediciones de la masa de las galaxias y cúmulos de galaxias indican que hay materia invisible a su alrededor.

Modelos computacionales

En la época del descubrimiento de Neptuno, todos los análisis matemáticos debían hacerse a mano, lo cual limitaba muchísimo las hipótesis que se podían generar a partir de las observaciones. Hoy, tenemos la ventaja de contar con computadores y supercomputadores que nos brindan nuevas formas de analizar las observaciones.

Los modelos computacionales permiten probar distintas hipótesis para un mismo conjunto de observaciones indirectas, entregando así a los astrónomos lo más cercano a un “laboratorio astronómico” en la Tierra. Por ejemplo, las observaciones de las órbitas de los objetos del cinturón de Kuiper que llevaron a la hipótesis del “Planeta 9” también se han probado con modelos diferentes, que se basan en otras hipótesis. Distintos grupos de investigadores han propuesto, por ejemplo, que estos objetos pueden provenir de un encuentro del Sol con una estrella cercana en los principios del Sistema Solar. En este caso, la misma evidencia observacional (órbitas extrañas de objetos del Cinturón de Kuiper) puede utilizarse en distintos modelos computacionales para probar diferentes hipótesis.

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Las simulaciones nos permiten variar y probar distintos parámetros para modelos astronómicos, algo imposible de hacer en la realidad. Imagen: Batygin & Brown.

Al utilizar modelos, podemos probar muchísimas más hipótesis de lo que podemos hacer a mano. En una simulación podemos probar distintas configuraciones del Sistema Solar con planetas más allá de Neptuno, podemos analizar cómo se comportarían los objetos observados bajo el efecto de planetas de distinta masa, tamaño, y órbita, todo sin necesidad de acercarnos a un telescopio. En cada simulación, los científicos prueban decenas, incluso cientos de configuraciones posibles, y luego realizan análisis estadísticos para determinar cuáles son las que más se asemejan a la realidad. Los números que finalmente publican corresponden al modelo que mejor se ajusta a las observaciones reales, es decir, que en las simulaciones computacionales generaron el panorama más similar a lo que se observa en la realidad.

Problemas abiertos

Uno de los principales problemas con los descubrimientos hechos a través de evidencia teórica y observaciones indirectas es que, muchas veces, varias hipótesis distintas podrían solucionar un mismo problema. Es por eso que mientras más observaciones y más evidencias se tengan para apoyar una hipótesis, mayor certeza se tiene de ésta, a pesar de que no podamos probarla directamente.

En el caso de la materia oscura, por ejemplo, la evidencia no se encuentra sólo en el comportamiento de los cúmulos de galaxias: también se han realizado observaciones que concuerdan con la hipótesis de la materia oscura en el interior de las galaxias tanto enanas, elípticas, y espirales, y en el movimiento de sus respectivas estrellas. Una serie de observaciones diferentes, en objetos astronómicos diferentes, generan evidencia teórica lo suficientemente contundente como para afirmar que la materia oscura es responsable de los fenómenos observados. Sin embargo, como ésta aún no ha sido observada ni detectada directamente, la teoría y la especulación aún dejan lugar a que algunas personas señalen que los efectos que se le atribuyen puedan tener otra explicación.

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Los radiotelescopios de ALMA podrían ayudar a obtener evidencia observacional del “Planeta 9”. Imagen: ESO/B. Tafreshi

En el caso del Planeta 9, el siguiente paso es encontrar nueva evidencia que logre apoyar esta hipótesis. Observarlo directamente sería, como en el caso de Neptuno, prueba irrefutable de que la hipótesis es correcta. Sin embargo, mientras eso no ocurra, siempre se debe dejar espacio a la duda y a la curiosidad, buscando nueva evidencia indirecta y, también, postulando nuevas hipótesis. En los próximos años y con las nuevas generaciones de telescopios, quizás logremos observar a este supuesto noveno planeta, confirmando así la hipótesis. O también es posible que nunca lo observemos, dejando la duda si no lo observamos porque nuestros instrumentos no lo permiten, o porque simplemente no existe. O tal vez observaremos otro fenómeno distinto que nos permita desechar la hipótesis del Planeta 9 y confirmar otra distinta. Esta aplicación del método científico, con el pequeñísimo porcentaje del Universo que podemos observar directamente, es lo que hace a la astronomía una ciencia tan apasionante y dinámica.

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