domingo, 25 de junio de 2017

Planet Nine y los sesgos observacionales

Representación artística del hipotético noveno planeta orbitando al Sol en la lejanía. Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)
Hace año y medio se publicó un artículo en el que los astrofísicos Konstantin Batygin y Mike Brown proponían la existencia de un nuevo planeta en nuestro sistema solar que explicaría las peculiares órbitas de seis objetos lejanos situados más allá de Neptuno (objetos transneptunianos, o TNOs). Estos seis cuerpos orbitan a una distancia promedio de más de 250 unidades astronómicas (UA) del Sol, nunca se acercan a éste a menos de 35 UA (siempre están más lejos que Neptuno), y los puntos de sus trayectorias donde lo hacen (es decir, sus perihelios) están agrupados en la misma región del espacio. Este último detalle, junto a que las órbitas parecen compartir un mismo plano con una ligera inclinación respecto al de los ocho planetas conocidos (la eclíptica), es lo que apuntaba a la existencia de ese nuevo planeta. A lo largo de miles de millones de años, su gravedad habría ido pastoreando y expulsando objetos en las regiones exteriores del sistema solar hasta dejar mayoritariamente los que tenían órbitas con esas orientaciones. Estos días, sin embargo, circula con algo de revuelo la noticia de que nuevas observaciones habrían dado al traste con esta hipótesis, al mostrar que la agrupación de los perihelios de esos TNOs lejanos es ficticia y debida principalmente a sesgos observacionales. ¿Pero es esto cierto?

Empecemos por el principio. Daniel Marín describió en detalle en su momento el anuncio inicial, pero voy a intentar resumirlo aquí. Como digo arriba, estos objetos con órbitas tan excéntricas nunca llegan a estar tan cerca del Sol como para cruzar las órbitas de los planetas gigantes. Esto significa que sus trayectorias actuales no pueden ser debidas únicamente a la interacción gravitatoria de los gigantes gaseosos expulsándolos hacia los confines del sistema solar, sino que deben haber sido modificadas por algún cuerpo masivo en esas regiones, a lo largo de la evolución del sistema o en un pasado remoto. Además, sus perihelios se sitúan más o menos en la misma región del espacio, cubriendo un ángulo de unos 100 grados, de modo que sus órbitas apuntan hacia un mismo lado del cielo. Puede verse su distribución en la siguiente imagen:

Órbitas del noveno planeta (naranja) y de los seis objetos que llevaron a proponer su existencia (violeta). Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)
Como comenté, los planos de las órbitas también están bastante alineados entre sí y además todos tienen el perihelio cerca de la eclíptica. No sólo eso, sino que en su punto más cercano todos cruzan la eclíptica de sur a norte, mientras que si sus inclinaciones orbitales fueran más o menos aleatorias se esperaría el mismo número de objetos cruzando de norte a sur. Una agrupación de órbitas así quedaría deshecha por la gravedad de los otros planetas en un período de entre 10 y 100 millones de años si no hay ningún objeto masivo que las "pastoree" en esas posiciones, así que Batygin y Brown añadieron un planeta extra en simulaciones en las que probaron con distintas masas y parámetros orbitales para ver si podían reproducir el alineamiento. La configuración que más se ajustaba a los datos resultó ser un cuerpo de unas 10 veces (o más) la masa de la Tierra, con una órbita excéntrica orientada hacia el lado del sistema solar opuesto a la agrupación de TNOs lejanos. Este resultado sorprendió a los investigadores, ya que ellos pensaban que, para que el conjunto fuera estable, la órbita del planeta estaría alineada con las del resto de objetos y rodeándolas en vez de cruzarse con ellas. Sin embargo, la relación entre los períodos orbitales de los seis TNOs y el nuevo planeta, que han dado en llamar Planet Nine, (posiblemente para afianzar la idea de que Plutón ya no lo es, debido a la relación de Mike Brown con ese tema) sería tal que nunca se encuentran en la misma región del espacio al mismo tiempo, evitando que Planet Nine los disperse. Una resonancia orbital de este tipo se da entre Neptuno y Plutón, con el primero dando tres vueltas al Sol en el tiempo que tarda el segundo en dar dos. La configuración de todos estos objetos se ve mejor en tres dimensiones, y puede contemplarse en la siguiente animación:



Hay un detalle importante hacia el final de ese vídeo. En las simulaciones por ordenador, además de los objetos transneptunianos alineados que se esperaba obtener, la presencia del noveno planeta hacía aparecer otros con trayectorias perpendiculares al plano de la eclíptica. Batygin se lo comentó a Brown extrañado de ese resultado, así que éste se puso a buscar y contempló con sorpresa que, efectivamente, en los últimos años se habían detectado varios cuerpos así. En el vídeo se muestran en azul las órbitas de los cinco objetos conocidos de este tipo, que supusieron el cambio entre considerar a Planet Nine como simplemente una idea ad hoc para explicar datos que se podrían estar sobreinterpretando (eran sólo seis cuerpos, después de todo) a convertirse en una hipótesis viable que predecía efectos observables no considerados en un principio.

Los resultados y predicciones continuaron. Unos meses tras el primero, Brown y Batygin publicaban otro artículo en el que refinaban los cálculos de cara a estimar en qué parte del cielo habría que buscar este planeta, y que además predecía la presencia de objetos transneptunianos aún no detectados que estarían alineados con Planet Nine, en el lado contrario a la agrupación de los otros seis. A finales de 2016 se publicaron dos artículos, uno en el que participaron Brown y Batygin y otro de un equipo independiente, en los que se mostraba que la inclinación del Sol respecto a la eclíptica, un misterio desde hacía tiempo, podría ser también explicada por el noveno planeta. Parecía que esta hipótesis valdría para explicar de un plumazo no sólo la agrupación de TNOs lejanos sino también varios otros misterios del sistema solar, lo cual eran buenas noticias.

Pero en ciencia siempre hay que ir con cuidado por si se nos ha pasado algo, especialmente si todo un razonamiento parece sólido pero sus premisas son algo frágiles. Y es que hay un problema con los objetos transneptunianos que dieron lugar a la idea, y es la razón de que escriba esta entrada: dadas las enormes distancias a las que se alejan en su trayecto en torno al Sol, sólo podemos detectar cuerpos de este tipo cuando se encuentran cerca del perihelio, recibiendo iluminación suficiente y moviéndose a la velocidad necesaria para distinguirlos de otros puntos de luz en el cielo. Entonces, si las campañas de observación y catalogado de estos objetos (surveys, en inglés) se centran más en unas regiones del cielo que en otras, podrían detectarse más objetos con órbitas apuntando en direcciones determinadas aunque su distribución sea uniforme. Esto es lo que se conoce como un sesgo observacional.

Por eso, aunque esos seis TNOs lejanos fueron descubiertos en surveys distintos y con diferentes telescopios en varias partes del mundo, la predicción más importante del modelo era que al seguir haciendo nuevas observaciones, estos cuerpos con perihelios a más de 35 UA y órbitas con distancia promedio al sol (o semieje mayor) superior a 250 UA seguirían encontrándose predominantemente en las agrupaciones predichas. Si futuros descubrimientos de este tipo de objetos mostraban que sus órbitas se repartían en todas las orientaciones, la hipótesis de un noveno planeta con las características descritas por el modelo de Planet Nine quedaría rechazada.

El pasado mes de mayo, Mike Brown contó en el blog que mantienen sobre este asunto cómo iban ajustándose las predicciones a nuevos datos. Cuatro nuevos cuerpos habían sido detectados desde el anuncio inicial, tres de ellos por el equipo de Scott Sheppard y Chad Trujillo y otro por el Outer Solar System Origins Survey (OSSOS), casi duplicando la cifra de objetos en la muestra. Y las órbitas de tres de los nuevos TNOs estaban alineadas y agrupadas con las otras seis. El restante pasaría a ser el primer objeto detectado en la orientación opuesta, alineado con el hipotético Planet Nine, tal y como predecía el segundo artículo de Brown y Batygin. Así quedó la distribución de las órbitas entonces:

Órbitas de los diez TNOs lejanos conocidos a principios de año y del hipotético Planet Nine. Crédito: Fauxtoez (CC BY-SA 4.0)
Este éxito, no obstante, no excluye la posibilidad de que todo se deba a sesgos observacionales, ya que hay fenómenos que afectarían a todas las observaciones aunque se hagan de forma distinta. Por ejemplo, en las regiones de la eclíptica que atraviesan la Vía Láctea, la cantidad de estrellas de fondo es tan enorme que resulta muy difícil distinguir los tenues puntos de luz correspondientes a objetos transneptunianos en esa zona. Además, en ciertas épocas del año hay peores condiciones meteorológicas en los observatorios, de modo que en las constelaciones visibles de noche esos meses la búsqueda no puede ser tan intensiva. Y lo que es peor, resulta difícil cuantificar el impacto de estos efectos en los distintos surveys porque muchos no han detallado qué zonas del cielo se fotografiaron, con qué eficiencia de detecciones, ni el brillo mínimo que lograban detectar en cada observación.

El pasado mayo, Brown tuvo una idea para estimar estos sesgos y escribió un artículo que fue aceptado la semana pasada en The Astronomical Journal. Su método consiste en asumir que, cuando se descubre un TNO cercano de un cierto brillo, también se podía haber detectado en esa imagen un objeto que estuviera más lejos pero brillase lo mismo o más por ser más grande y/o reflectante que el cercano. Para cada uno de los 10 TNOs con semieje mayor de más de 230 UA, generó una distribución de órbitas con los mismos parámetros pero repartidas uniformemente en los 360 grados de la eclíptica. A continuación, para cada descubrimiento registrado de un TNO se comprobaría si el lejano habría aparecido con el brillo suficiente a menos de un grado de distancia en el cielo. No obstante, un objeto que orbita muy lejos del Sol se mueve muy lento y por tanto para descubrirlo hacen falta dos o más imágenes lo suficientemente separadas en el tiempo como para verlo desplazarse. Así que, como muchos TNOs se descubrieron en búsquedas diseñadas para objetos más cercanos, en el cálculo sólo incluye los que se descubrieron a más de 30 UA (y por tanto en observaciones capaces de ello), y también asume que ningún survey habría detectado un TNO lejano a más de 90 UA. Como hay objetos en resonancia orbital con Neptuno que podrían introducir un sesgo en los cálculos, excluye todos los cuerpos con semieje mayor inferior a 40 UA. Y además, evita que las regiones del cielo cercanas a la eclíptica (con mayor abundancia de TNOs) tengan un peso mayor que las zonas más al norte o sur introduciendo una corrección para compensar este efecto. Tras todo esto, las observaciones de 1248 objetos actúan como un inmenso survey combinado del que ahora conocemos la probabilidad de descubrir cada uno de los 10 TNOs lejanos en cada región del cielo. Y según estos cálculos, la probabilidad de observar un conjunto de objetos lejanos con las órbitas distribuidas uniformemente pero encontrar únicamente cuerpos con los perihelios tan agrupados en el espacio es sólo del 1.2%.

Sin embargo, estos días fue mucho más mediático un artículo sobre el survey OSSOS, aceptado por su revista también la semana pasada, que afirmaba no ver tal agrupación de órbitas en los TNOs lejanos y achacaba a sesgos observacionales las agrupaciones que llevaron a proponer el noveno planeta. Como OSSOS detectó en total más de 800 nuevos TNOs, con cuatro de ellos en el tipo de órbita extrema que nos interesa, su metodología consiste en usar su muestra de objetos a modo de "experimento independiente", para ver si podían reproducir los resultados. A diferencia de otros, OSSOS es un survey que sí tiene bien caracterizadas las regiones observadas y la sensibilidad y eficiencia obtenidas en cada una de ellas, de modo que sus sesgos observacionales están bien tenidos en cuenta. Al añadir los cuatro TNOs lejanos de este survey a la muestra de objetos, la distribución de sus órbitas queda así, con los nuevos en color naranja:

Posiciones del noveno planeta y los 13 objetos transneptunianos extremos conocidos. Crédito: Tomruen (CC BY-SA 4.0)
En la imagen puede verse que dos de los nuevos cuerpos tienen órbitas dentro del grupo esperado (de hecho uno de ellos ya estaba contado entre los 10 anteriores y no es tan novedoso), otro está alineado en dirección opuesta (algo también esperado con Planet Nine presente), mientras que la órbita del restante tiene una orientación casi perpendicular a las otras tres. Pero resulta que los sesgos de OSSOS hacen mucho más probable que descubran objetos en la agrupación principal y la opuesta, de modo que afirman que si todos los TNOs lejanos estuviesen distribuidos uniformemente, también habrían detectado más objetos con órbitas en las direcciones predichas por el modelo. De hecho destacan que aun con poca sensibilidad a órbitas con otras orientaciones descubrieron un objeto con el perihelio a 90 grados de lo esperado, y señalan esto como otro indicio de que la distribución subyacente es uniforme.

Desde OSSOS afirman que los sesgos que sufren son más o menos universales (la presencia de la Vía Láctea, peores condiciones en ciertas épocas del año, etc.), y que debido a esto las detecciones realizadas con el resto de surveys estarían sesgadas de forma parecida. Sin embargo, los sesgos estudiados en este artículo son únicamente los del propio OSSOS, y extrapolarlos a todos los demás es algo menos riguroso que el método de Brown explicado más arriba. La opinión de Mike Brown es que los resultados de OSSOS son bastante neutrales en cuanto a la existencia de Planet Nine, y tras leer ambos artículos esta semana le daría la razón. Después de todo, tres de los cuatro objetos que descubren concuerdan con las predicciones del modelo (y éste no dice que esté prohibido que haya alguno a 90 grados de la agrupación, sino que serán menos probables [Actualización relevante al final de esta entrada]), pero por otro lado sus sesgos harían que se descubriesen más cuerpos así de todas formas. Además, al iniciarse mucho antes de proponerse Planet Nine, OSSOS no está diseñado para estudiar la agrupación de los perihelios de objetos lejanos (debido precisamente a esos sesgos).

¿Entonces existe o no Planet Nine? Sólo el tiempo lo dirá. En caso afirmativo, la prueba definitiva será detectarlo directamente con telescopios, y las observaciones para ello hace meses que comenzaron. Mientras tanto, el modelo todavía presenta algunos problemas que habrá que solucionar, además su origen no está claro, vendría bien detectar más cuerpos del tipo que orbitan en planos perpendiculares a la eclíptica, etcétera. Habrá que seguir explorando.

Si después de toda esta entrada el tema de Planet Nine te ha despertado más curiosidad, durante la preparación de este post he visto que el artículo de Wikipedia en inglés está muy completo y detallado. En el blog The Search for Planet Nine, que actualizan los propios Brown y Batygin (en inglés), puede leerse más sobre el proceso que llevó a desarrollar la hipótesis, las dudas que hay al respecto, cuáles son las pruebas que les hacen pensar que el planeta podría ser real, y aprender sobre cómo funciona en general la ciencia. Y si prefieres vídeo (también en inglés), Mike Brown subió a YouTube la clase sobre Planet Nine del curso gratuito que imparte en Coursera sobre la ciencia del sistema solar (que también recomiendo).

Actualización 3/7/17: Konstantin Batygin ha escrito un post en el que muestra que el período orbital del único de los 13 TNOs que no cuadraría con el modelo lo sitúa precisamente en una resonancia orbital con Planet Nine que modificaría la orientación de su órbita haciendo que cambie de orientación con el tiempo, recorriendo los 360 grados. La órbita de un objeto con precisamente esa distancia promedio al Sol podría entonces tener el perihelio en cualquier orientación de la eclíptica. Puede que se trate simplemente de una casualidad, pero resulta relevante mencionarlo.

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