ASTRONOMÍA. Un planeta demasiado grande para su estrella obliga a revisar nuestro modelo de formación de planetas

Un planeta demasiado grande para su estrella obliga a revisar nuestro modelo de formación de planetas

 

La ilustración de este artista muestra cómo se vería la estrella LHS 3145 desde la superficie de su planeta, LHS 314b. Imagen: Penn State/Penn State

06 diciembre 2023.- A los científicos les encantan los valores atípicos. Los valores atípicos son la forma que tiene la naturaleza de decirnos cuáles son sus límites y dónde se encuentran. En lugar de molestarse cuando un valor atípico perturba su comprensión, los científicos se alimentan de la curiosidad que inspiran los valores atípicos.

Esto es cierto en el caso de un nuevo descubrimiento de un planeta masivo que orbita alrededor de una estrella pequeña. Esto va en contra de nuestra comprensión de cómo se forman los planetas, lo que significa que nuestro modelo de formación de planetas necesita una actualización.

En un artículo publicado en Science, los investigadores anunciaron el descubrimiento de un exoplaneta con la masa de Neptuno orbitando una estrella de baja masa. La estrella es LHS 3154, una estrella enana M o enana roja. Tiene sólo 0,11 veces la masa del Sol, que es una masa normal para una enana roja.

Pero lo sorprendente es el tamaño del planeta que orbita la estrella. El planeta se llama LHS 3154b y es un monstruo en comparación con la mayoría de los planetas que orbitan alrededor de enanas rojas. Tiene al menos 13,2 masas terrestres. Eso lo coloca en el mismo rango que Neptuno, que tiene 17 masas terrestres. LHS 3154b también se encuentra en una órbita muy cercana y tarda sólo 3,7 días en orbitar la estrella.

"Este descubrimiento realmente deja claro lo poco que sabemos sobre el universo". Suvrath Mahadevan, Universidad de Pensilvania

El nuevo artículo es “ Un exoplaneta con la masa de Neptuno en órbita cercana alrededor de una estrella de muy baja masa desafía los modelos de formación. 

¿Por qué sorprende este descubrimiento? 

Cuando se forma una estrella, comienza como una protoestrella en el centro de una nebulosa solar . A medida que se forma la estrella, se forma alrededor de la estrella un disco giratorio de gas y polvo llamado disco protoplanetario . En el disco se forman densos nudos y así se forman los planetas y los planetesimales. Es un proceso detallado y que no entendemos del todo. Pero lo que los científicos sí saben, o creían saber, es que cuanta más masa hay en el disco, más masivos serán los planetas que se pueden formar. Y la masa en el disco aumenta drásticamente con la masa de la estrella.

Se ve así: estrella masiva = disco masivo = planetas masivos. Naturalmente, también consideramos cierto lo contrario. Estrella pequeña = disco pequeño = planetas pequeños. Pero LHS 3154b y su estrella no se ajustan a esto. Simplemente no debería haber suficiente masa en el disco protoplanetario para que se formara el planeta.

No se espera que el disco de formación de planetas alrededor de la estrella de baja masa LHS 3154 tenga suficiente masa sólida para formar este planeta. Pero está ahí fuera, por lo que ahora necesitamos reexaminar nuestra comprensión de cómo se forman los planetas y las estrellas, dijeron los autores de la investigación.

Se necesitó un instrumento especial para detectar el enorme planeta y Mahadevan dirigió el equipo de científicos que lo construyó. Se llama Habitable Zone Planet Finder o HPF, un espectrógrafo construido en Penn State. HPF está diseñado para detectar planetas que orbitan alrededor de estrellas frías y que podrían tener agua superficial líquida. Los planetas pequeños pueden ser muy difíciles de detectar alrededor de estrellas grandes y brillantes como nuestro Sol porque la luz del Sol domina todo lo demás.


Pero alrededor de estrellas más pequeñas y frías, es mucho más fácil encontrar planetas lo suficientemente cercanos como para tener agua líquida.

“Piénsalo como si la estrella fuera una fogata. Cuanto más se enfríe el fuego, más cerca tendrás que acercarte para mantenerte caliente”, dijo Mahadevan. “Lo mismo ocurre con los planetas. Si la estrella es más fría, entonces un planeta necesitará estar más cerca de esa estrella para que esté lo suficientemente caliente como para contener agua líquida. Si un planeta tiene una órbita lo suficientemente cercana a su estrella ultrafría, podemos detectarlo viendo un cambio muy sutil en el color de los espectros o la luz de la estrella cuando es arrastrada por un planeta en órbita”.

La ilustración de este artista ayuda a explicar cómo los planetas pequeños son más fáciles de detectar alrededor de estrellas que son más pequeñas y más frías que el Sol.  Crédito de imagen: Penn State/Penn State.  Bienes comunes creativos
La ilustración de este artista ayuda a explicar cómo los planetas pequeños son más fáciles de detectar alrededor de estrellas que son más pequeñas y más frías que el Sol. Imagen: Penn State/Penn State. 

LHS 3154 es una de las estrellas más pequeñas jamás encontradas. Tiene sólo el 11% de la masa del Sol, y una estrella necesita tener el 8% de la masa del Sol para mantener la fusión. Se llama estrella VLM o estrella de muy baja masa. Estrellas como LHS 3154 son difíciles de detectar porque son muy pequeñas y tenues. Por esa razón, no hay muchas estrellas VLM en los estudios de exoplanetas.

Pero los astrónomos diseñaron el HPF teniendo esto en cuenta. El equipo de investigadores detrás de este trabajo comenzó a observar LHS 3154 con HPF allá por 2020. Rápidamente encontraron signos de un planeta alrededor de la estrella, tirando ligeramente de la estrella y dándole el bamboleo revelador que puede indicar la presencia de un planeta. Pero se sabe que las enanas M brillan bastante, lo que puede ser un falso positivo, por lo que los astrónomos observaron durante un tiempo. Una vez que vieron que la señal era constante, supieron que habían encontrado un planeta.

Se sabe que las enanas M albergan muchos planetas, pero normalmente son mucho más pequeñas que los enormes planetas que vemos en nuestro Sistema Solar y alrededor de otras estrellas similares a nuestro Sol. LHS 3154b es raro, un caso atípico, y eso significa que hay trabajo por hacer para explicar cómo se formó allí.

"Según el trabajo de investigación actual con el HPF y otros instrumentos, un objeto como el que descubrimos probablemente sea extremadamente raro, por lo que detectarlo ha sido realmente emocionante", dijo Megan Delamer, estudiante graduada en astronomía en Penn State y coautora del estudio. "Nuestras teorías actuales sobre la formación de planetas tienen problemas para explicar lo que estamos viendo".

LHS 3154b debería tener un núcleo planetario pesado, según las mediciones del equipo. Pero los modelos actuales predicen que el disco protoplanetario no debería haber tenido suficiente material para formarse. Un disco protoplanetario contiene tanto gas como polvo. La relación entre ambos ayuda a explicar qué masa tendrá la estrella y qué masas tendrán los planetas. La existencia de LHS 3154 b alrededor de la enana M sugiere que la relación polvo-gas del disco debe ser diez veces mayor de lo que los científicos entienden.

Esta cifra de la investigación pone el descubrimiento en contexto.  El color de cada planeta representa la temperatura de su estrella.  El eje x muestra el período orbital y el eje y muestra la relación de masas.  LHS 3154b es claramente un caso atípico.  Crédito de la imagen: Stefansson et al.  2023.
Este resultado de la investigación pone el descubrimiento en contexto. El color de cada planeta representa la temperatura de su estrella. El eje x muestra el período orbital y el eje y muestra la relación de masas. LHS 3154b es claramente un caso atípico. Imagen: Stefansson et al. 2023.

Hay dos teorías sobre cómo se forman los planetas. Una es la teoría de la acreción del núcleo, según la cual la materia forma un grupo que acumula más y más materia hasta que se forma un núcleo planetario. El otro es el modelo de inestabilidad gravitacional . Explica cómo se forman planetas masivos en discos masivos. En lugar de acumularse mediante guijarros, el gas colapsa gravitacionalmente en el disco para eventualmente formar gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno.

El equipo realizó múltiples simulaciones para probar estas teorías con sus hallazgos. Las simulaciones del mecanismo de acreción del núcleo no pudieron producir ningún planeta tan masivo como LHS 3154b, y las simulaciones del mecanismo de colapso gravitacional no pudieron producir ningún planeta tan pequeño como LHS 3154b.

"Ambos posibles mecanismos de formación requieren discos protoplanetarios que tengan masas de polvo sustancialmente mayores que las que normalmente se observan alrededor de estrellas de muy baja masa", escribe el equipo en su artículo.

En su artículo, los autores discuten algunas posibles explicaciones.

Representación artística de un disco protoplanetario en el que se están formando planetas.  Crédito: ESO/L.  Calzada
Representación artística de un disco protoplanetario en el que se están formando planetas. Fuente: ESO/L. Calzada

Es posible que los discos protoplanetarios, al menos en algunos casos, aún puedan acumular materia de la nube molecular a partir de la cual se formó la estrella. Entonces, básicamente hay otra reserva de material a partir del cual se pueden formar planetas. Ésa es una posible explicación.

O es posible que los núcleos protoplanetarios se formen antes de lo que se pensaba, dentro de 1 millón de años después de la protoestrella anfitriona. A esa temprana edad, se espera que los discos protoplanetarios sean más masivos que en épocas posteriores. Eso podría permitir que se acumule rápidamente suficiente material, formando un gigante gaseoso.

Una tercera posibilidad es que no estemos viendo con precisión lo que está pasando. Si el polvo se convierte en grandes guijarros alrededor de una estrella, las observaciones infrarrojas pueden tener dificultades para verlo. "... los guijarros de ese tamaño no serían detectados por las observaciones milimétricas utilizadas para estimar las masas generales de polvo, lo que provocaría que se subestimaran", explican los investigadores.

Cualquiera que sea la explicación final, el descubrimiento muestra que el HPF está haciendo aquello para lo que fue creado. Si puede encontrar más de estos valores atípicos, estaremos en camino de descubrir detalles más importantes del proceso de formación de planetas.

"Lo que hemos descubierto proporciona un caso de prueba extremo para todas las teorías existentes sobre la formación de planetas", dijo Mahadevan. "Esto es exactamente para lo que construimos HPF: descubrir cómo las estrellas más comunes en nuestra galaxia forman planetas y encontrar esos planetas".

"Hacer el descubrimiento con HPF fue muy especial, ya que es un nuevo instrumento que diseñamos, desarrollamos y construimos desde cero con el propósito de observar la población de planetas inexplorados alrededor de las estrellas de menor masa", dijo Guðmundur Stefánsson, de la NASA. Sagan Fellow en Astrofísica en la Universidad de Princeton y autor principal del artículo. Stefánsson también ayudó a desarrollar HPF y trabajó en el estudio como estudiante de posgrado en Penn State. "Ahora estamos cosechando los frutos, aprendiendo aspectos nuevos e inesperados de esta apasionante población de planetas que orbitan algunas de las estrellas más cercanas".

Fuente: Guðmundur Stefánsson et al.,. A Neptune-mass exoplanet in close orbit around a very low-mass star challenges formation models.Science382,1031-1035(2023).DOI:10.1126/science.abo0233

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