Los planetas que se encogen podrían explicar el misterio de los mundos perdidos del universo

Al estudiar los datos del telescopio espacial Kepler, los investigadores del Instituto Flatiron encontraron que la contracción planetaria durante miles de millones de años probablemente explica un misterio de muchos años: la escasez de planetas aproximadamente duplica el tamaño de la Tierra.

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

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

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 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. Si bien el tamaño más escaso para los planetas más jóvenes era aproximadamente 1,6 veces el radio de la Tierra, es aproximadamente 1,8 veces el radio de la Tierra en edades más avanzadas.

La implicación, proponen los investigadores, es que algunos mini-Neptunes 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-Neptunes “saltan” la brecha del radio del planeta y se convierten en súper-Tierras. A medida que pasa el tiempo, la brecha del radio cambia a medida que los mini-Neptuno 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-Neptunas de menor tamaño que aún pueden retener sus atmósferas. Los investigadores informaron sus hallazgos el 14 de mayo de 2021 en The Astronomical Journal .

Una infografía que describe la brecha del radio del exoplaneta. Crédito: Fundación Simons

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

Los hallazgos dan crédito a dos sospechosos propuestos previamente en el caso: 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 la becaria de investigación de CCA Gabriella Contardo, la científica investigadora asociada de CCA Ruth Angus, la científica investigadora asociada de CCA Megan Bedell, el científico investigador asociado de CCA Daniel Foreman-Mackey y el investigador invitado de CCA Samuel Grunblatt.

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. Al analizar la rapidez con la que el planeta orbita su estrella, el tamaño de la estrella y el grado de atenuación, los astrónomos pueden estimar el tamaño del exoplaneta. Estos análisis finalmente llevaron al descubrimiento de la brecha de radio.

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 mini planetas Neptuno envueltos en gas pierden sus atmósferas, dejando atrás una súper Tierra sólida. Se destaca 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 )

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, evitando 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, pero 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, lo que hace que el gas se escape al espacio durante miles de millones de años.

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.

Los resultados sugieren que los mini-Neptunes 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 las mini-Neptunas más grandes, que se convierten en las supertierras 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 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 o océanos de magma.