A finales de octubre de 2018, tras nueve años y medio de trabajo incesante, el telescopio espacial Kepler de NASA fue dado de baja. Su combustible para maniobras se había agotado. Sin embargo, al finalizar su misión, este satélite había sido capaz de observar más de 500.000 estrellas en una pequeña región del cielo. Cumpliendo ampliamente su objetivo, Kepler había descubierto 2.770 planetas extrasolares (exoplanetas) orbitando alrededor de distintas estrellas. ¡Un número abrumador de exoplanetas, todos nuevos! Debemos tener en cuenta que el satélite Kepler no podía fotografiar directamente a esos exoplanetas, pero podía detectar el minúsculo cambio en el brillo de una estrella lejana, cada vez que alguno de sus planetas cruzaba por delante de su disco deslumbrante.
Hoy, la colosal cantidad de planetas descubiertos por Kepler ofrece una riqueza científica sobrecogedora. Con tanta información reunida, es posible estimar el tamaño de los exoplanetas, medir el tiempo que tardan en orbitar a su estrella, determinar la distancia del exoplaneta a la misma, aproximar un valor para la temperatura de las superficies planetarias y mucho más. Con esos datos, se puede elaborar una detallada estadística sobre los tamaños, la distribución de las distancias y otras propiedades importantes de los exoplanetas, lo que nos proporciona una certera guía para comprender cómo se formaron esos sistemas. Además, estos descubrimientos abren nuevas posibilidades para especular sobre la habitabilidad de algunos de ellos para seres extraterrestres. ¡Una fuente de curiosidad tan atractiva como cautivante!
Sin embargo, cuando se comenzaron a analizar los datos del satélite, surgió una llamativa peculiaridad. Como era de esperar, notaron que los exoplanetas “pequeños” (con tamaños intermedios entre la Tierra y Neptuno), eran notoriamente más abundantes que los planetas gigantes (tipo Júpiter). No obstante, dentro de ese conjunto de exoplanetas había una notable separación entre dos grupos bien diferenciados: los mini-Neptunos y las súper-Tierras.
Los mini-Neptunos son planetas un poco más pequeños que nuestro propio Neptuno, con un radio típico de aproximadamente dos veces y media el radio terrestre. Probablemente, estos exoplanetas cuenten con un núcleo sólido rodeado de una atmósfera muy extensa y sus superficies estén cubiertas por gruesas capas de hielo u océanos líquidos (de agua, amoníaco u otros elementos). En cambio, las súper-Tierras son planetas compuestos mayoritariamente por roca, con radios típicos de alrededor de 1,3 veces el radio terrestre. Curiosamente, la mayoría de los exoplanetas descubiertos son mini-Neptunos o son súper-Tierras, con pocos objetos de tamaño intermedio. Esta singularidad se la conoce como el “valle (o brecha) de radios”. Naturalmente, nos preguntamos: ¿por qué se da esa distribución de tamaños? ¿por qué ciertos radios son más frecuentes en los exoplanetas? Sin duda, esa diferencia debe originarse durante los procesos de formación de los exoplanetas. En tal caso, ¿depende la separación de tamaños de las características de su estrella madre, de los tiempos que tardan en dar una vuelta a su alrededor u otro factor?
Para interpretar el “valle de radios” y su curioso origen, un equipo local de expertos en formación planetaria ha publicado recientemente, en colaboración con investigadores suizos, una “Carta al Editor” en la prestigiosa revista científica “Astronomy & Astrophysics“. Las Cartas al Editor son trabajos breves que, tras la habitual revisión por parte de otros expertos, se publican con mucha celeridad, debido a que sus contenidos pueden cambiar profundamente las ideas existentes y, por ende, despiertan un gran interés en la comunidad científica. Por esta razón, estos artículos se difunden rápidamente, a diferencia de los trabajos científicos comunes que pueden demorar muchos meses en ser publicados. En este caso, los autores locales de este artículo fueron la Dra. María Paula Ronco y los Dres. Octavio Guilera y Marcelo Miller Bertolami, quienes pertenecen al IALP (CONICET – UNLP) y son docentes de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (FCAG, UNLP). La primera autora del artículo es la Dra. Julia Venturini de la Universidad de Ginebra, y completan el equipo los Dres. Jonas Haldemann y Christoph Mordasini de la Universidad de Berna (Suiza).
Grupo de investigadores: Julia Venturini (izq.) Paula Ronco (medio), Octavio Guilera (der.) en el Castillo de Ringberg, Munich, Alemania, durante el Congreso “Density Matters”.
En un trabajo previo, este mismo equipo había estudiado el problema del “valle de radios”. En ese artículo presentaron resultados de simulaciones computacionales sobre el origen de planetas dentro de discos de gas y polvo (discos protoplanetarios) que giran alrededor de estrellas en formación. Cuando una estrella nace a partir de la concentración de gas y polvo de nebulosas, es común que se forme una gran masa central rodeada de un disco rotante de materia. En este disco, se aglutinan grumos de material que van capturando pequeños fragmentos de roca, polvo y gas, y van dando forma a los futuros planetas. Con las simulaciones, los investigadores fueron capaces de explicar, por primera vez, la curiosa separación entre súper-Tierras y mini-Neptunos. Básicamente demostraron que, una vez ya formados, los mini-Neptunos son más capaces de retener la envoltura del gas que colectaron del disco protoplanetario, resistiendo al empuje avasallador de la luz producida por la estrella central. Si el material original del grumo (que, a modo de semilla o embrión, formará posteriormente un exoplaneta) era de hielo, lo que significa que este se encontraba originalmente lejos de la estrella, los exoplanetas formados podían crecer mucho en tamaño dando lugar a mini-Neptunos. En cambio, si la “semilla” eran pedruzcos de roca ubicados inicialmente más cerca de la estrella, el exoplaneta no podría crecer tanto, originando una súper-Tierra. Ellos notaron que, una vez que el disco protoplanetario se disipa debido al desgaste que ejerce la luz de la estrella, los cuerpos surgidos a partir de embriones rocosos perdían más fácilmente sus atmósferas, mientras que los exoplanetas formados a partir de núcleos de hielo eran capaces de retenerla. Los modelos mostraban, entonces, que la separación entre mini-Neptunos y súper-Tierras podía surgir de manera directa, dependiendo de cómo era y de dónde provenía la “semilla” original.
Sin embargo, todos sus modelos previos estaban limitados a sistemas en formación con una estrella central semejante al Sol. Para este nuevo artículo, el equipo de investigadores amplió considerablemente el estudio, incluyendo una mayor variedad de estrellas, con masas que van desde una vez y media la masa solar (que corresponde a estrellas más caliente que el Sol) hasta una décima parte de esa masa (estrellas más “frías” que la nuestra). Con estos nuevos modelos, los investigadores notaron que la separación natural de radios se mantenía para casi todos los tipos de estrellas consideradas, con la novedad de que tal “valle de radios” se difuminaba en el caso de las estrellas más frías. Es interesante destacar que este resultado teórico está en concordancia con recientes observaciones de exoplanetas en estrellas más frías, publicadas en 2022. Además, sus modelos predicen que, en su mayoría, las súper-Tierras serían planetas secos que perdieron casi toda su atmósfera primordial, mientras que los mini-Neptunos serían mayoritariamente planetas ricos en agua. Los mini-Neptunos que orbitan alrededor de estrellas grandes y calientes (con masas mayores a 70% de la masa de nuestro Sol) tendrían atmósferas con vapor de agua, mientras que los exoplanetas que orbitan estrellas más pequeñas (con masas del orden del 40% de la masa solar) tendrían agua en estado líquido o en forma de hielo.
Anticipamos que este crucial aporte a un tema tan actual y debatido como el “valle de los radios” generará mucha repercusión en la comunidad científica internacional dedicada al estudio de la formación de planetas. La cuidadosa combinación de modelos computacionales que simulan los procesos físicos en los discos protoplanetarios, junto con la inclusión de la evolución de los planetas a partir de diferentes “semillas” dentro de estos discos, ha demostrado ser una herramienta muy eficaz para interpretar las observaciones astronómicas. Además, el amplio abanico de sistemas planetarios con diferentes clases de estrellas centrales que el grupo ha modelado, evidencia la gran capacidad de análisis de nuestros investigadores en formación planetaria, un tema de vanguardia a nivel mundial.
Título del artículo: "A fading radius valley towards M dwarfs, a persistent density valley across stellar types"
Autores: Julia Venturini (Universidad de Ginebra, Suiza), María Paula Ronco (IALP, CONICET, FCAG, UNLP), Octavio Guilera (IALP, CONICET, FCAG, UNLP), Jonas Haldemann, Christoph Mordasini (ambos de la Universidad de Berna, Suiza) y Marcelo Miller Bertolami (IALP, CONICET, FCAG, UNLP).
Enlace al artículo: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49088-23/aa49088-23.html
Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero