EL encogimiento de planetas podría explicar el misterio de los mundos perdidos del universo

Representación artística de un planeta del sistema estelar Kepler-20. En este último, la misión Kepler descubrió los primeros planetas del tamaño de la Tierra alrededor de una estrella más allá de la nuestra. El sistema está compuesto de cinco planetas, todos apretados, dando vueltas a una distancia aproximadamente equivalente a la órbita de Mercurio en nuestro Sistema Solar. Más información. Crédito: IPAC-Caltech.

Estudiando datos del telescopio espacial Kepler, investigadores del Instituto Flatiron encontraron que la contracción planetaria durante miles de millones de años probablemente explica un antiguo misterio. Se trata de la escasez de planetas aproximadamente del doble del tamaño de la Tierra.

Ha habido un gran avance en el caso de los planetas perdidos.

Las misiones de búsqueda de planetas han descubierto miles de mundos orbitando estrellas distantes. Pero en ellos, existe una grave escasez de exoplanetas que miden entre 1,5 y dos veces el radio de la Tierra. Ese es el término medio entre las supertierras rocosas y los planetas más grandes cubiertos de gas llamados mini-Neptunos. Desde que descubrieron esta ‘brecha de radio’ en 2017, los científicos han estado investigando por qué hay tan pocos cuerpos celestes de tamaño mediano.

Una nueva pista

La nueva pista surgió de una nueva forma de ver los datos. Un equipo de investigadores dirigido por Trevor David del Instituto Flatiron investigó si la brecha del radio cambia a medida que los planetas envejecen. Dividieron los exoplanetas en dos grupos, jóvenes y viejos, y reevaluaron la brecha.  Descubrieron que los radios de planetas menos comunes del grupo más joven eran más pequeños en promedio que los menos comunes del grupo más antiguo. El tamaño más escaso para los planetas más jóvenes era aproximadamente 1,6 veces el radio de la Tierra. Pero ese tamaño en edades más avanzadas es aproximadamente 1,8 veces el radio de la Tierra.

Dando una explicación de la brecha de radio

La implicación, proponen los investigadores, es la siguiente. Algunos mini-Neptunos se encogen drásticamente durante miles de millones de años a medida que sus atmósferas se filtran, dejando solo un núcleo sólido. Al perder su gas, los mini-Neptunos «saltan» la brecha de radio de planetas y se convierten en súper-Tierras. A medida que pasa el tiempo, la brecha del radio cambia a medida que los mini-Neptunos cada vez más grandes dan el salto, transformándose en super-Tierras cada vez más grandes. La brecha, en otras palabras, es el abismo entre las súper-Tierras de mayor tamaño y las mini-Neptunos de menor tamaño que aún pueden retener sus atmósferas. Los investigadores informaron sobre sus hallazgos el 14 de Mayo en The Astronomical Journal.

“El punto principal es que los planetas no son las esferas estáticas de rocas y gases que tendemos a veces a pensar,” dice David. Él es investigador del  Centro de Astrofísica Computational del Instituto Flatiron (CCA) en la ciudad de Nueva York. En algunos modelos de la pérdida de atmósfera propuesta anteriormente, «algunos de estos planetas eran 10 veces más grandes al comienzo de sus vidas».

Los sospechosos de dar origen a la brecha

Los hallazgos dan crédito a dos sospechosos propuestos previamente: el calor sobrante de la formación planetaria y la intensa radiación de las estrellas anfitrionas. Ambos fenómenos agregan energía a la atmósfera de un planeta, lo que hace que el gas se escape al espacio. “Probablemente ambos efectos son importantes”, dice David. “Pero necesitaremos modelos más sofisticados para saber cuánto contribuye cada uno de ellos y cuándo” en el ciclo de vida del planeta.

Los coautores del artículo incluyen a los siguientes investigadores. La becaria de CCA Gabriella Contardo, la científica investigadora asociada de CCA Ruth Angus, la científica investigadora asociada de CCA Megan Bedell. Además el científico investigador asociado de CCA Daniel Foreman-Mackey y el investigador invitado de CCA Samuel Grunblatt.

Una simulación por computadora de cómo cambia la distribución de los tamaños de los planetas a medida que envejecen los sistemas planetarios. 
La brecha de radio es evidente alrededor del doble del radio de la Tierra, aunque depende de los períodos orbitales de los planetas. 
La evidencia sugiere que la brecha cambia con el tiempo. A medida que los planetas mini-Neptuno envueltos en gas pierden su atmósfera, dejan atrás una súper Tierra sólida.
Se resalta un planeta que está experimentando este proceso (representado como un núcleo con atmósfera), con su cambio de tamaño representado a la derecha. 
Crédito: Animación de Erik Petigura (UCLA); Simulación de James Owen (Imperial College London)
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Propuestas previas, de mecanismos que dan origen a la brecha

El nuevo estudio utilizó datos recopilados por la nave espacial Kepler, que midió la luz de estrellas distantes. Cuando un exoplaneta se mueve entre una estrella y la Tierra, la luz observada de la estrella se atenúa. Analizando la rapidez con la que el planeta orbita su estrella, el tamaño de ella y el grado de atenuación, puede estimarse el tamaño del exoplaneta. Estos análisis finalmente llevaron al descubrimiento de la brecha de radio.

Los científicos han propuesto previamente algunos mecanismos potenciales para la creación de la brecha, y cada proceso tiene lugar en una escala de tiempo diferente. Algunos creían que la brecha se produce durante la formación planetaria cuando algunos planetas se forman sin suficiente gas cercano para inflar su tamaño. En este escenario, el radio del planeta y, por lo tanto, la brecha del radio, se imprimirían al nacer. Otra hipótesis fue que las colisiones con rocas espaciales podrían destruir la atmósfera espesa de un planeta. Eso evitaría que los planetas más pequeños acumulen una gran cantidad de gas. Este mecanismo de impacto tomaría aproximadamente de 10 a 100 millones de años.

Otros posibles mecanismos requieren más tiempo. Una propuesta es que los intensos rayos X y la radiación ultravioleta de la estrella anfitriona de un planeta eliminan el gas con el tiempo. Este proceso, llamado fotoevaporación, tomaría menos de 100 millones de años para la mayoría de los planetas. Sin embargo, podría tomar miles de millones de años para algunos. Otra sugerencia es que el calor remanente de la formación de un planeta agrega lentamente energía a la atmósfera del planeta. Esto hace que el gas se escape al espacio durante miles de millones de años.

El proceso de investigación

David y sus colegas comenzaron su investigación examinando más de cerca la brecha en sí. Medir los tamaños de estrellas y exoplanetas puede ser complicado, por lo que limpiaron los datos para incluir solo planetas cuyos diámetros se conocían con seguridad. Este procesamiento de datos reveló una brecha más vacía de lo que se pensaba.

Luego, los investigadores clasificaron los planetas en función de si eran más jóvenes o mayores de 2 mil millones de años. (La Tierra, en comparación, tiene 4.500 millones de años). Dado que una estrella y sus planetas se forman simultáneamente, determinaron la edad de cada planeta en función de la edad de su estrella.

Resultados y acciones futuras

Los resultados sugieren que los mini-Neptunos más pequeños no pueden retener su gas. A lo largo de miles de millones de años, el gas se elimina, dejando una super-Tierra en su mayoría sólida. Ese proceso lleva más tiempo para mini-Neptunos más grandes, que se convierten en las super-Tierras más grandes. Pero no afectará a los planetas gaseosos más gigantescos, cuya gravedad es lo suficientemente fuerte como para mantener sus atmósferas.

El hecho de que la brecha del radio evolucione a lo largo de miles de millones de años nos indica algo. Sugiere que el culpable no son las colisiones planetarias o una peculiaridad inherente de la formación planetaria. El calor remanente del interior de los planetas que elimina gradualmente la atmósfera es una buena combinación, dice David. Pero la intensa radiación de las estrellas madre también podría contribuir, especialmente al principio. El siguiente paso es que los científicos modelen mejor cómo evolucionan los planetas para descubrir qué explicación juega un papel más importante. Eso podría significar considerar complejidades adicionales, como las interacciones entre atmósferas incipientes y campos magnéticos planetarios u océanos de magma.

Fuente: Simon Foundation.

Artículo original: «Shrinking Planets Could Explain Mystery of Universe’s Missing Worlds«. Thomas Sumner. May 14, 2021.

Material relacionado

Explicando «la brecha» de radios de exoplanetas (la brecha de Fulton)

La brecha del radio también se conoce como la brecha de Fulton, después de que Benjamin Fulton, astrónomo y científico investigador del Instituto de Ciencias de Exoplanetas de la NASA. Señala un fenómeno descrito en un artículo de 2017 por Fulton y un equipo de investigadores.

Por alguna razón, es muy raro que un exoplaneta con un período orbital de menos de 100 días tenga un radio entre 1.5 y 2 veces el de la Tierra.

Los investigadores utilizando los datos del Observatorio WM Keck y de la misión Kepler descubieron una brecha en la distribución de tamaños de los exoplanetas pequeños. Esto indica que la mayoría de los planetas descubiertos por Kepler hasta ahora se dividen en dos clases distintas de tamaño. Los planetas rocosos y súper-Tierras (similares a Kepler 452b), y los mini-Neptunos (similares a Kepler-22b). Este histograma muestra el número de planetas por cada 100 estrellas como una función del tamaño del planeta respecto al de la Tierra. 
Crédito: NASA / Ames / Caltech / Universidad de Hawai (BJ Fulton).

El artículo siguiente lo presenta.

Hemos observado una amplia gama de planetas más grandes que la Tierra (algunos se muestran en estas ilustraciones). Pero tienden a caer en dos categorías de tamaño: super-Tierra o mini-Neptuno. 
Crédito:
 NASA Ames / JPL-Caltech.

A partir de Junio de 2019, el recuento de exoplanetas confirmados superó oficialmente los 4.000. Aunque hemos aprendido mucho sobre la formación de planetas a partir de esta gran cantidad de datos, también ha generado nuevas preguntas. ¿Podría la reciente detección de dos nuevos planetas intrigantes arrojar luz sobre uno de estos rompecabezas abiertos?

Curiosidades

Investigando una contribución diferente a la brecha de radio

Infografía de tipos de exoplanetas. Más información. Crédito: NASA-JPL / Caltech.

Hay una baja tasa de ocurrencia de exoplanetas entre 1,5 y 2,0 radios terrestres. El siguiente trabajo explora la densidad del campo estelar en el que reside el planeta como un contribuyente potencial a esta brecha.

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