Kepler-36 muestra que los sistemas planetarios son menos predecibles de lo que pensábamos

Una colaboración con Brandon Weigel

En los primeros años de la exoplanetología, los astrónomos conocían solo un sistema de varios planetas: el Sistema Solar. Tenían simulaciones y modelos, por supuesto, pero a lo largo de la década de 1990, la teoría detrás de esos modelos se basó principalmente en nuestro propio sistema planetario. Sin embargo, incluso sin otros puntos de datos, parecía una suposición razonable que la mayoría de los otros sistemas exoplanetarios estaban estructurados como el nuestro: un conjunto de planetas terrestres que orbitan cerca de la estrella anfitriona, con planetas gigantes similares a Júpiter y Saturno orbitando más lejos.

Este paradigma comenzó a desmoronarse a mediados de la década de 1990, cuando el descubrimiento del Jupiter 51 Pegasi b caliente convirtió la sabiduría convencional en su cabeza. ¡Los gigantes de gas masivos simplemente no deberían orbitar tan cerca de sus estrellas anfitrionas! Lento pero seguro, se ha demostrado que muchas de nuestras suposiciones sobre la estructura de los sistemas planetarios son completamente falsas, a medida que descubrimos contraejemplos de ideas de larga data sobre la formación de planetas.

Gracias al telescopio espacial Kepler, conocemos sistemas multiplanetarios como Kepler-62, que tiene cinco exoplanetas confirmados. Sin embargo, incluso este sistema no es muy misterioso, en comparación con otros que hemos encontrado. Crédito de imagen: NASA

Una de las sorpresas más recientes orbita alrededor de la estrella subgigante Kepler-36. No es un planeta, sino dos: exoplanetas llamados Kepler-36b y Kepler-36c, con ejes semi-principales de 0.115 UA y 0.128 UA. Esto significa que los dos exoplanetas están muy juntos. Esto en sí mismo no es demasiado peculiar; Lo extraño es que los dos planetas deberían ser bastante parecidos, provenientes de la misma área del disco protoplanetario, pero no lo son. Uno es un planeta terrestre denso, similar a la Tierra, mientras que el otro es un mini-Neptuno con una envoltura gaseosa de hidrógeno y helio.

Entonces, ¿cómo se forman dos exoplanetas completamente diferentes esencialmente en el mismo lugar? Esa es una buena pregunta, y su respuesta resulta crucial para nuestra comprensión de por qué los exoplanetas son tan sorprendentemente diversos. Con Brandon Weigel, esta semana estoy investigando por qué los sistemas planetarios del universo podrían ser más variados de lo que pensábamos.

¡Encontrar sistemas multiplanetarios es difícil!

Kepler solo encuestó una pequeña porción de la galaxia, pero aún descubrió miles de exoplanetas.

En el transcurso de su misión de nueve años, el telescopio espacial Kepler monitoreó más de medio millón de estrellas cerca del Sol. Kepler utilizó el método de tránsito para detectar exoplanetas. Buscó pequeñas inmersiones en el brillo de una estrella. Si esas inmersiones se repitieron regularmente, era una fuerte evidencia de que fueron causadas por un exoplaneta en órbita que pasaba entre Kepler y la estrella. Por lo general, combinar datos para un candidato a exoplaneta es tan simple como buscar saltos que tengan períodos claros; ves cada conjunto de espacios entre tránsitos.

Sin embargo, para las estrellas con múltiples exoplanetas en tránsito, las cosas se ponen difíciles. Estos sistemas generalmente producen curvas de luz mezcladas que podrían confundirse fácilmente con otros fenómenos, como las estrellas, o los tránsitos podrían perderse por completo. En el caso de Kepler-36, hubo un problema adicional. Los dos exoplanetas están bastante cerca uno del otro, por lo que producen variaciones de tiempo de tránsito, o TTV, cambios en los tiempos esperados de los tránsitos causados ​​por su atracción gravitacional mutua.

Figura 1, Carter et al. 2012. La curva de luz bruta producida por el telescopio (arriba) parece estar llena de inmersiones aleatorias, pero hay algo claramente no aleatorio en el trabajo: dos exoplanetas en tránsito, Kepler-36b (abajo a la izquierda) y Kepler-36c (abajo a la derecha).

Inicialmente, el algoritmo de búsqueda utilizado por Kepler omitió por completo Kepler-36b, que produjo inmersiones de solo un 17% tan fuertes como las causadas por Kepler-36c. Un segundo algoritmo, que tiene en cuenta los posibles TTV, finalmente lo detectó, revelando un sistema mucho más rico de lo que los astrónomos pensaron originalmente (Carter et al. 2012). De hecho, esos TTV, lejos de ser una amenaza, terminaron siendo un tesoro de información. Típicamente, los tránsitos por un exoplaneta solitario solo producen una estimación de su radio, pero los TTV permitieron al equipo modelar las fuerzas gravitacionales entre los planetas para diferentes masas de prueba, y por lo tanto derivar sus masas reales, que a su vez proporcionaron una ventana hacia los exoplanetas 'composiciones.

Las observaciones iniciales revelaron masas de 4.45 y 8.08 masas terrestres para Kepler-36b y Kepler-36c, respectivamente, y los radios correspondientes de 1.486 y 3.679 radios terrestres. Un cálculo simple revela densidades de 7,46 gramos por centímetro cúbico - bit más denso que la Tierra - y 0,89 gramos por centímetro cúbico, que está cerca de Saturno. Las implicaciones eran claras: Kepler-36b es un mundo rocoso con un núcleo rico en hierro, mientras que Kepler-36c es rico en volátiles y mantiene una atmósfera compuesta principalmente de hidrógeno y helio.

Figura 3, Carter et al. 2012. El trazado de los puntos de datos en un gráfico de radio de masa muestra que Kepler-36b, cerca de la parte inferior, es un mundo rocoso, mientras que Kepler-36c, cerca de la parte superior, es gaseoso.

Esto fue una sorpresa. A pesar de orbitar solo 0.01 UA entre sí, el mundo interno era casi nueve veces más denso que su compañero externo. Los modelos tradicionales de formación del sistema planetario predicen que este tipo de inmensa discrepancia debería ser imposible. Los dos exoplanetas deberían ser bastante similares entre sí. Sin embargo, los datos cuentan una historia diferente.

Una solución primordial para un problema primordial.

Los astrónomos no estaban completamente asombrados por el rompecabezas. Carter y col. Consideró brevemente dos posibles soluciones al problema: la migración o la erosión atmosférica. La hipótesis de la migración, desarrollada originalmente para explicar la ubicación inesperada de los Júpiter calientes, sugiere que los exoplanetas incrustados en discos protoplanetarios pueden moverse dramáticamente desde las regiones externas hacia órbitas cercanas alrededor de la estrella. Esto puede ser provocado por interacciones de marea con el disco o perturbaciones con otros planetas. En este escenario, Kepler-36c se habría formado lejos, donde acumuló volátiles y una envoltura sustancial de hidrógeno / helio, antes de ser impulsado a una órbita apretada alrededor de su estrella anfitriona.

López y Fortney 2013 estaban interesados ​​en explorar la segunda posibilidad. Los protoplanetas de todas las formas y tamaños pueden acumular grandes envolturas de hidrógeno y helio durante sus primeras vidas, pero los planetas pequeños de baja masa cerca de sus estrellas anfitrionas a menudo pierden estas atmósferas, reteniendo gases pesados ​​como oxígeno y nitrógeno. La radiación ultravioleta extrema (XUV) ioniza el gas en la atmósfera superior y lo calienta; Este efecto, llamado fotoevaporación, es más pronunciado en las moléculas más ligeras, como el hidrógeno y el helio, por lo que los cuerpos que experimentan altos flujos de XUV tienden a perder estos gases con bastante rapidez.

Figura 2, López y Fortney 2013. Los astrónomos realizaron 6000 simulaciones para un rango de masas centrales, flujos, composiciones e inercias térmicas en un intento de explicar el sistema Kepler-36.

Sin embargo, Kepler-36b y Kepler-36c están bastante juntos, y si no se produjera la migración, deberían haber recibido la misma cantidad de flujo de XUV. ¿Qué podría hacer que uno pierda la mayor parte de su atmósfera? López y Fortney sugirieron que una condición inicial simple podría haber sido diferente: la masa central. Es posible que Kepler-36b inicialmente comenzara como un protoplaneta ligeramente menos masivo que su vecino, lo que significa que tenía una velocidad de escape correspondientemente más baja, por lo que le fue más fácil perder gas.

Los teóricos decidieron probar esto. Simularon un gran conjunto de modelos de exoplanetas, que abarcan una amplia gama de masas y composiciones principales. Después de simular pérdidas fotoevaporativas en el transcurso de 7 mil millones de años, la edad del sistema, encontraron parámetros que reproducían las propiedades derivadas de los exoplanetas. Kepler-36b comenzó con una masa central de 4,45 masas terrestres, aproximadamente la misma que su masa actual, y perdió cantidades dramáticas de hidrógeno y helio en los primeros 100 millones de años. Después de dos mil millones de años, su envoltura de hidrógeno / helio había desaparecido por completo.

Figura 1, López y Fortney 2013. Kepler-36b y Kepler-36c, aunque comenzaron con la misma composición, evolucionaron de maneras completamente diferentes dentro de los primeros cien millones de años de su formación.

Kepler-36c, por otro lado, retuvo una cantidad significativa de su envoltura después de comenzar con una masa central de 7.4 masas terrestres. También perdió masa gracias a la fotoevaporación, pero mucho más lentamente y no tan dramáticamente. Esto le permitió terminar como un objeto similar a Neptuno con una atmósfera de hidrógeno / helio, muy diferente de su vecino. Incluso si los dos planetas comenzaron con la misma composición, 22% de hidrógeno y helio, la diferencia en la masa del núcleo era suficiente para enviarlos por dos caminos completamente diferentes.

¿Qué significa esto para la exoplanetología?

La hipótesis de la masa central es extremadamente tentadora. Si es cierto, significa que la aleatoriedad en los discos protoplanetarios puede dar forma natural a los sistemas de muchas maneras diferentes. Elimina la necesidad de migración, un proceso delicado, para explicar este tipo de discrepancia de densidad. Finalmente, debería ser posible en cualquier sistema protoplanetario, lo cual es una suerte, ya que desde entonces se ha observado el mismo extraño contraste de densidad en otros pares de exoplanetas (ver Kipping et al. 2014). Por el momento, puede ser una ventaja para explicar el sistema Kepler-36.

Independientemente del mecanismo detrás de este extraño par de exoplanetas, muestran que pueden existir sistemas extremadamente diversos de exoplanetas. No quiero decir que pueda existir cualquier combinación de masas, composiciones y órbitas, pero aún deberíamos esperar descubrir sistemas exóticos que no estarían fuera de lugar en, digamos, Star Wars. No estaría fuera de discusión que una especie que vive en un mundo selvático se suba a una nave espacial y viaje a un pequeño gigante de gas cercano en unos pocos meses.

¿Todavía estás interesado en qué tipo de sistemas exóticos estoy hablando? Brandon Weigel escribió un artículo impresionante sobre los exoplanetas que puedes encontrar: mundos oceánicos, planetas de hierro y mucho más. ¡Echale un vistazo!