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El exoplaneta gigante que tiene a los astrónomos perplejos

Los científicos encuentran el exoplaneta tipo Júpiter más joven hasta la fecha de publicación y logran medir su masa y tamaño.

Un equipo de astrónomos dirigido por Olga Zakhozhay del MPIA descubrió un exoplaneta gigante alrededor de la estrella similar al Sol HD 114082. Con una edad de solo 15 millones de años, este super-Júpiter es el exoplaneta más joven de su tipo para el cual los astrónomos lograron determinar su radio y masa. Si bien su tamaño coincide con el diámetro de Júpiter, la masa de HD 114082 b asciende a ocho veces el valor de Júpiter. La combinación de estas cantidades es difícil de conciliar con los modelos ampliamente aceptados de formación de planetas. Una posible solución a este enigma puede requerir una actualización de los modelos de formación para permitir un núcleo planetario sólido inusualmente grande.

Los astrónomos han descubierto más de 5.000 exoplanetas, de los cuales alrededor del 15% son gigantes gaseosos con masas de al menos la de Júpiter. Ahora, un grupo de astrónomos liderados por Olga Zakhozhay (Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania y Observatorio Astronómico Principal, Academia Nacional de Ciencias de Ucrania, Kiev, Ucrania) descubrió un exoplaneta llamado HD 114082 b con un peculiar conjunto de propiedades que permite a los científicos rascarse la cabeza.

El planeta es casi tan grande como Júpiter, pero su masa alcanza ocho masas de Júpiter. “En comparación con los modelos aceptados actualmente, HD 114082 b es aproximadamente dos o tres veces más denso para un joven gigante gaseoso con solo 15 millones de años de edad”, dice Olga Zakhozhay, autora principal del estudio. La densidad media resultante de ese planeta gaseoso asciende al doble que la de la Tierra, lo cual es realmente notable. Después de todo, la Tierra es un planeta rocoso con un núcleo de hierro-níquel, y no está hecho de hidrógeno y helio, los elementos más ligeros del Universo que componen Júpiter casi en su totalidad.

“HD 114082 b es actualmente el planeta gigante gaseoso más joven conocido con una masa y un radio establecidos”, señala Zakhozhay. Como resultado, promete enseñar a los astrónomos algo sobre la formación de gigantes gaseosos en general.

Propiedades del exoplaneta HD 114082 b.

“Creemos que los planetas gigantes pueden formarse de dos maneras posibles”, dice Ralf Launhardt, coautor de MPIA. “Ambos ocurren dentro de un disco protoplanetario de gas y polvo distribuido alrededor de una joven estrella central”. El primer proceso, conocido como “acreción del núcleo”, implica en una primera etapa, la acumulación de un núcleo sólido de material rocoso. Una vez que alcanza una masa crítica, su fuerza gravitacional atrae el gas circundante, lo que lleva a la acumulación de hidrógeno y helio en un proceso desbocado para formar un planeta gigante. El segundo modo, llamado “inestabilidad de disco”, presenta parcelas gravitacionalmente inestables de gas denso que colapsan directamente para convertirse en un planeta gigante sin un núcleo rocoso.

Dependiendo de las suposiciones hechas para esos dos escenarios, el gas debería enfriarse a diferentes velocidades, determinando la temperatura de los planetas gigantes gaseosos jóvenes. Por lo tanto, los nuevos planetas pueden experimentar un “arranque en frío” o un “comienzo en caliente”, lo que lleva a diferencias observables que potencialmente pueden distinguir entre esos modelos, especialmente a una edad temprana.

Actualmente, los astrónomos prefieren un escenario de acreción central con un comienzo caliente para planetas gigantes como HD114082 b. Dado que el gas caliente abarca un volumen mayor que el gas frío, se deben medir diferencias notables en los tamaños de los planetas observados. Este contraste de tamaño es más pronunciado para los planetas jóvenes. Sin embargo, se vuelve menos pronunciado durante los primeros cientos de millones de años de enfriamiento después de la formación.

A primera vista, HD 114082 b desafía las expectativas de los astrónomos. Su combinación de masa y tamaño es incompatible con la imagen de arranque en caliente. En cambio, parece coincidir mejor con el escenario de arranque en frío. Curiosamente, otros candidatos ligeramente mayores citados en otros estudios muestran el mismo comportamiento. “Es demasiado pronto para abandonar la noción de un comienzo caliente”, explica Ralf Launhardt. “Todo lo que podemos decir es que todavía no entendemos muy bien la formación de planetas gigantes”. Está claro que en comparación con los modelos actuales, HD 114082 b es demasiado pequeño para su masa. O tiene un núcleo sólido inusualmente grande, o los modelos son incorrectos y subestiman la velocidad a la que esos gigantes gaseosos pueden enfriarse, o ambos.

El descubrimiento de HD 114082 b es el resultado de un extenso programa de observación llamado RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets around Young stars). Actualmente, consta de 775 horas de tiempo de observación con el telescopio ESO/MPG de 2,2 metros operado por MPIA en el sitio La Silla del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile, repartidas a lo largo de 4,5 años. RVSPY es un buen ejemplo de investigación astronómica de alto rendimiento llevada a cabo en telescopios con acceso sostenido durante un largo período. Tales estudios difícilmente serían posibles con los últimos telescopios, ya que el tiempo de observación por proyecto es muy limitado debido a la alta demanda.

RVSPY tiene como objetivo descubrir la población de planetas gigantes (calientes, cálidos y fríos) alrededor de estrellas jóvenes. Para ello, los astrónomos obtienen series temporales de espectros de 111 estrellas jóvenes, lo que significa dividir la luz de las estrellas en sus componentes de color fundamentales, similares a lo que vemos en un arco iris. Pequeños cambios periódicos en los espectros estelares pueden indicar un movimiento de volteo de la estrella observada causado por la atracción gravitacional de un planeta en órbita. En principio, la actividad de las estrellas, como pulsaciones o llamaradas, puede comprometer las mediciones, particularmente en estrellas jóvenes como HD 114082. Sin embargo, la calidad de los datos RVSPY es lo suficientemente buena como para detectar la señal de la estrella tambaleante más allá de cualquier duda. El equipo también incluyó datos de archivo más antiguos de otros telescopios para extender la cobertura al pasado.

Un evento de tránsito completa el análisis


Curva de luz del tránsito del exoplaneta a través de su estrella madre. Muestra la reducción relativa de la intensidad estelar debido al ligero oscurecimiento que provoca HD 114082 b al pasar por delante de su estrella. Olga Zakhozhay y su equipo han determinado el tamaño del planeta a partir de esta medida. Los datos provienen del Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS). © Zakhozhay et al. (2022) / MPIA

Mientras que los astrónomos aplican este método de velocidad radial (RV) para inferir la masa de un planeta y la duración de una revolución alrededor de su estrella central, el período orbital, deben confiar en una técnica diferente para determinar su tamaño. Supongamos que la órbita planetaria está orientada de tal manera hacia nosotros que, por casualidad, cruza la estrella central. Los astrónomos llaman a tal evento un “tránsito”. Cuando eso sucede, la pequeña reducción periódica en la luz recibida durante los tránsitos se puede traducir directamente en el radio del planeta y ayuda a refinar su período orbital.

“Ya sospechábamos que una configuración casi de borde de la órbita planetaria de un anillo de polvo alrededor de HD 114082 descubierto hace varios años”, dice Olga Zakhozhay. “Aún así, nos sentimos afortunados de encontrar una observación en los datos de TESS con una hermosa curva de luz de tránsito que mejoró nuestro análisis”. TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) es una sonda espacial de la NASA que busca exoplanetas alrededor de estrellas relativamente cercanas a la Tierra.

Combinando estas mediciones, Zakhozhay y sus colegas encontraron que HD 114082 b orbitan su estrella madre similar al Sol dentro de los 110 días a una distancia de aproximadamente 0,5 unidades astronómicas. Una unidad astronómica es la distancia media entre el Sol y la Tierra. Por lo tanto, se asemeja a la órbita de Mercurio alrededor de nuestro sol.

HD 114082 b es uno de los tres planetas gigantes jóvenes con edades de hasta 30 millones de años con masas y tamaños conocidos. Y todos ellos son probablemente inconsistentes con los modelos de arranque en caliente más comúnmente adoptados. Aunque los astrónomos están mirando estadísticas de bajo número con tres de cada tres, parece poco probable que esos planetas sean todos valores atípicos. “Si bien se necesitan más planetas de este tipo para confirmar esta tendencia, creemos que los teóricos deberían comenzar a reevaluar sus cálculos”, señala Zakhozhay. “Es emocionante cómo nuestros resultados observacionales retroalimentan la teoría de la formación de planetas. Ayudan a mejorar nuestro conocimiento sobre cómo crecen estos planetas gigantes y nos dicen dónde se encuentran las brechas de nuestra comprensión”.

Descripción ilustración de la portada: Concepción artística de un exoplaneta gigante gaseoso que orbita alrededor de una estrella similar al Sol. El joven exoplaneta HD 114082 b gira alrededor de su estrella similar al Sol en 110 días a una distancia de 0,5 unidades astronómicas. © NASA/JPL-Caltech

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