Normalmente, los planetas en sistemas planetarios evolucionados, como el sistema solar, siguen órbitas estables alrededor de su estrella central. Sin embargo, muchos indicios sugieren que algunos planetas podrían alejarse de sus lugares de nacimiento durante su evolución temprana migrando hacia adentro o hacia afuera.
Esta migración planetaria también podría explicar una observación que ha desconcertado a los investigadores durante varios años:el número relativamente bajo de exoplanetas con tamaños aproximadamente dos veces más grandes que la Tierra, conocido como valle o brecha del radio. Por el contrario, hay muchos exoplanetas más pequeños y más grandes que este tamaño.
"Hace seis años, un nuevo análisis de los datos del telescopio espacial Kepler reveló una escasez de exoplanetas con tamaños de alrededor de dos radios terrestres", explica Remo Burn, investigador de exoplanetas en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) de Heidelberg. Es el autor principal del artículo que informa los hallazgos descritos en este artículo, ahora publicado en Nature Astronomy. .
"De hecho, nosotros, al igual que otros grupos de investigación, predijimos, basándose en nuestros cálculos, incluso antes de esta observación, que tal brecha debía existir", explica el coautor Christoph Mordasini, miembro del Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) Planetas. Dirige la División de Investigación Espacial y Ciencias Planetarias de la Universidad de Berna. Esta predicción se originó durante su mandato como científico en el MPIA, que ha estado investigando este campo conjuntamente con la Universidad de Berna durante muchos años.
El mecanismo sugerido más comúnmente para explicar la aparición de tal valle radial es que los planetas podrían perder una parte de su atmósfera original debido a la irradiación de la estrella central, especialmente gases volátiles como el hidrógeno y el helio. "Sin embargo, esta explicación ignora la influencia de la migración planetaria", aclara Burn.
Desde hace unos 40 años se ha establecido que, bajo determinadas condiciones, los planetas pueden moverse hacia dentro y hacia fuera a través de sistemas planetarios a lo largo del tiempo. La eficacia de esta migración y en qué medida influye en el desarrollo de los sistemas planetarios influye en su contribución a la formación del valle radial.
Dos tipos diferentes de exoplanetas habitan el rango de tamaño que rodea la brecha. Por un lado, están los planetas rocosos, que pueden ser más masivos que la Tierra y por eso se les llama súper Tierras. Por otro lado, los astrónomos descubren cada vez más los llamados subneptunos (también minineptunos) en sistemas planetarios distantes, que en promedio son ligeramente más grandes que las súper Tierras.
"Sin embargo, no tenemos este tipo de exoplanetas en el sistema solar", señala Burn. "Por eso, incluso hoy en día, no estamos exactamente seguros de su estructura y composición."
Aun así, los astrónomos coinciden en general en que estos planetas poseen atmósferas significativamente más extensas que los planetas rocosos. En consecuencia, ha sido incierto comprender cómo las características de estos subneptunos contribuyen a la brecha de radio. ¿Podría la brecha sugerir siquiera que estos dos tipos de mundos se forman de manera diferente?
Planetas de hielo errantes
"Basándonos en las simulaciones que ya publicamos en 2020, los últimos resultados indican y confirman que, en cambio, la evolución de los subneptunos después de su nacimiento contribuye significativamente al valle del radio observado", concluye Julia Venturini de la Universidad de Ginebra. Es miembro de la colaboración PlanetS y dirigió el estudio de 2020.
En las regiones heladas de sus lugares de nacimiento, donde los planetas reciben poca radiación de calentamiento de la estrella, los subneptunos deberían tener tamaños que faltan en la distribución observada. A medida que estos planetas presumiblemente helados migran más cerca de la estrella, el hielo se derrite y eventualmente forma una atmósfera espesa de vapor de agua.
Este proceso da como resultado un cambio en los radios de los planetas a valores mayores. Al fin y al cabo, las observaciones utilizadas para medir los radios planetarios no pueden diferenciar si el tamaño determinado se debe únicamente a la parte sólida del planeta o a una atmósfera densa adicional.
Al mismo tiempo, como ya se sugería en la imagen anterior, los planetas rocosos se "encogen" al perder su atmósfera. En general, ambos mecanismos producen una falta de planetas con tamaños alrededor de dos radios terrestres.
"La investigación teórica del grupo de Berna-Heidelberg ya ha permitido avanzar significativamente en el pasado nuestra comprensión de la formación y composición de los sistemas planetarios", explica el director del MPIA, Thomas Henning. "El estudio actual es, por tanto, el resultado de muchos años de trabajo preparatorio conjunto y mejoras constantes de los modelos físicos."
Los últimos resultados surgen de cálculos de modelos físicos que rastrean la formación de planetas y su posterior evolución. Abarcan procesos en los discos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes y que dan lugar a nuevos planetas. Estos modelos incluyen la aparición de atmósferas, la mezcla de diferentes gases y la migración radial.
"El aspecto central de este estudio fueron las propiedades del agua a las presiones y temperaturas que ocurren dentro de los planetas y sus atmósferas", explica Burn. Comprender cómo se comporta el agua en una amplia gama de presiones y temperaturas es crucial para las simulaciones. Estos conocimientos sólo han adquirido calidad suficiente en los últimos años. Es este componente el que permite un cálculo realista del comportamiento de los subneptunos, explicando así la manifestación de atmósferas extensas en regiones más cálidas.
"Es sorprendente cómo, como en este caso, las propiedades físicas a nivel molecular influyen en procesos astronómicos a gran escala, como la formación de atmósferas planetarias", añade Henning.
"Si expandiéramos nuestros resultados a regiones más frías, donde el agua es líquida, esto podría sugerir la existencia de mundos acuáticos con océanos profundos", dice Mordasini. "Estos planetas podrían potencialmente albergar vida y serían objetivos relativamente sencillos para la búsqueda de biomarcadores, gracias a su tamaño".
Sin embargo, el trabajo actual es sólo un hito importante. Aunque la distribución de tamaño simulada coincide mucho con la observada y la brecha de radio está en el lugar correcto, los detalles todavía tienen algunas inconsistencias. Por ejemplo, en los cálculos, demasiados planetas helados terminan demasiado cerca de la estrella central. Sin embargo, los investigadores no perciben esta circunstancia como una desventaja, pero esperan aprender más sobre la migración planetaria de esta manera.
Las observaciones con telescopios como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) o el Telescopio Extremadamente Grande (ELT) en construcción también podrían ayudar. Serían capaces de determinar la composición de los planetas en función de su tamaño, proporcionando así una prueba para las simulaciones aquí descritas.
Los científicos del MPIA involucrados en este estudio son Remo Burn y Thomas Henning.
Otros investigadores incluyen a Christoph Mordasini (Universidad de Berna, Suiza [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Suiza [Unige] y Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) y Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian Universidad de Munich, Alemania y Unibe).
El telescopio espacial Kepler de la NASA buscó planetas alrededor de otras estrellas entre 2009 y 2018 y descubrió miles de nuevos exoplanetas durante su funcionamiento. Utilizó el método de tránsito:cuando la órbita de un planeta está inclinada de manera que el avión se encuentra dentro de la línea de visión del telescopio, los planetas bloquean periódicamente parte de la luz de la estrella durante su órbita. Esta fluctuación periódica en el brillo de la estrella permite una detección indirecta del planeta y la determinación de su radio.
Más información: Un valle radial entre mundos de vapor migrados y núcleos rocosos evaporados, Astronomía natural (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02183-7
Información de la revista: Astronomía de la Naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
