Cuando los astrónomos descubrieron el primer exoplaneta alrededor de una estrella ordinaria hace dos décadas, estaban felices y perplejos a la vez: el planeta abierto 51 Pegasus b era una vez y media más masivo que Júpiter, pero al mismo tiempo estaba ubicado extremadamente cerca de la estrella: hace una revolución en solo 4 días, lo que mucho más rápido que Mercurio, el planeta más cercano al Sol, hace una revolución en 88 días. Los teóricos que estudian la formación planetaria no vieron la oportunidad para la formación y el crecimiento de planetas en tal proximidad a una estrella recién nacida. Quizás esto fue una excepción a la regla, pero pronto se descubrieron varios Júpiter calientes más, a los que se unieron otros planetas extraños: en órbitas alargadas y muy inclinadas, e incluso girando en contra de la dirección de rotación de la estrella madre.
La búsqueda de exoplanetas se ha acelerado desde el lanzamiento del Telescopio Espacial Kepler en 2009, y los 2.500 mundos que descubrió han agregado estadísticas para estudiar exoplanetas, y esto ha traído aún más confusión. Kepler descubrió que el tipo más común de planeta en la galaxia se encuentra en algún lugar entre la Tierra y Neptuno: super-Tierras que no tienen análogos en nuestro sistema solar y se consideraban casi imposibles. Los telescopios terrestres modernos capturan la luz directamente de los exoplanetas, en lugar de detectar su presencia indirectamente, como lo hace Kepler, y estos datos también son inusuales. Se descubrieron planetas gigantes con una masa varias veces la masa de Júpiter, la distancia desde la cual hasta las estrellas madre es el doble de la distancia entre Neptuno y el Sol, es decir, están en otra región,donde los teóricos consideraban imposible el nacimiento de grandes planetas.
“Era obvio desde el principio que las observaciones no encajaban muy bien con la teoría”, dice Bruce McIntosh, físico de la Universidad de Stanford en Palo Alto, California. "Nunca ha habido un momento en el que la teoría haya confirmado la observación".
Los teóricos están tratando de crear escenarios para planetas en "crecimiento" en lugares que alguna vez se consideraron prohibidos. Prevén que los planetas pueden formarse en entornos mucho más móviles y caóticos de lo que jamás habían imaginado, con planetas nacientes a la deriva desde órbitas circulares cercanas a la estrella a otras más alargadas y distantes. Pero el zoológico de planetas exóticos en constante expansión que los investigadores están observando significa que cada nuevo modelo es preliminar. “Todos los días se puede descubrir algo nuevo”, dice el astrofísico Thomas Henning del Instituto de Astronomía. Max Planck en Heidelberg, Alemania. "Es como descubrir nuevos campos durante la fiebre del oro".
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El modelo tradicional para la formación de estrellas y sus planetas se remonta al siglo XVIII, cuando los científicos sugirieron que una nube de polvo y gas que giraba lentamente podría colapsar por su propia gravedad. La mayor parte del material forma una bola que se contrae, se calienta y se convierte en una estrella cuando su centro se vuelve lo suficientemente denso y caliente como para iniciar reacciones termonucleares. La gravedad y el momento angular acumulan el material restante alrededor de la protoestrella en un disco plano de gas y polvo. Al moverse a lo largo de este disco, las partículas de material chocan y se "pegan" por fuerzas electromagnéticas. En el transcurso de varios millones de años, las partículas se convierten en granos, guijarros, rocas y, finalmente, planetesimales de un kilómetro de largo.
En este momento, la gravedad se hace cargo, se producen colisiones de planetesimales y el espacio se limpia por completo de polvo, como resultado de lo cual se forman varios planetas en toda regla. Para cuando esto sucede en la parte interna del disco, la mayor parte del gas es absorbido por la estrella o arrastrado por su viento estelar. La falta de gas significa que los planetas interiores siguen siendo en gran parte rocosos, con atmósferas delgadas.
Este proceso de crecimiento, conocido como acreción del núcleo, es más rápido en las partes externas del disco, donde las temperaturas son lo suficientemente bajas como para congelar el agua. El hielo en este caso complementa al polvo, lo que permite que los protoplanetas se consoliden más rápido. El resultado es un núcleo sólido de cinco a diez veces más pesado que la Tierra, lo suficientemente rápido como para que la región exterior del disco protoplanetario siga siendo rica en gas. Bajo la influencia de la gravedad, el núcleo "tira" sobre sí mismo del gas del disco, creando un gigante gaseoso como Júpiter. Por cierto, uno de los objetivos de la nave espacial Juno, que voló a Júpiter a principios de este mes, es determinar si el planeta realmente tiene un núcleo masivo.
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Este escenario crea un sistema planetario similar al nuestro: pequeños planetas rocosos con una atmósfera delgada están cerca de la estrella; hay un gigante gaseoso como Júpiter justo fuera de la línea de nieve (donde la temperatura es lo suficientemente fría como para que el agua se congele), y otros gigantes aparecen gradualmente a mayores distancias y se vuelven más pequeños porque se mueven más lento en sus órbitas y necesitan más tiempo para recolectar el material del disco protoplanetario. Todos los planetas permanecen aproximadamente donde se formaron y se mueven en órbitas circulares en el mismo plano. Agradable y ordenado.
Pero el descubrimiento de Júpiter calientes sugirió que algo era seriamente incompatible con la teoría. Un planeta con una órbita que tarda solo unos días en orbitar está muy cerca de una estrella, lo que limita la cantidad de material que puede formar. Parecía incomprensible que un gigante gaseoso pudiera formarse en un lugar así. Y la conclusión inevitable es que tal planeta debería haberse formado significativamente más lejos de su estrella.
Los teóricos han ideado dos posibles mecanismos para barajar la cubierta planetaria. El primero, conocido como migración, requiere que una gran cantidad de material permanezca en el disco después de que se haya formado el planeta gigante. La gravedad del planeta distorsiona el disco, creando áreas de mayor densidad, que a su vez ejercen un efecto gravitacional sobre el planeta, lo que hace que se desplace gradualmente hacia adentro, hacia la estrella.
Existe evidencia que respalda esta idea. Los planetas vecinos a menudo se encuentran en un "haz" gravitacional estable conocido como resonancia orbital, es decir, las longitudes de sus órbitas están relacionadas como pequeños enteros. Por ejemplo, cuando Plutón da la vuelta al Sol dos veces, Neptuno tiene tiempo de dar la vuelta exactamente tres veces. Es muy poco probable que esto sucediera por accidente, por lo que lo más probable es que sucediera durante la migración, lo que le da a los planetas una estabilidad gravitacional adicional. La migración a principios de la historia de nuestro sistema solar podría explicar otras rarezas, incluido el pequeño tamaño de Marte y el cinturón de asteroides. Para explicarlos, los teóricos propusieron la hipótesis de la "gran desviación", en la que Júpiter se formó inicialmente más cerca del Sol, después de lo cual se desvió hacia adentro casi hasta la órbita de la Tierra, recolectando material y por lo tanto "privando" a Marte de él.y después de la formación de Saturno, bajo la influencia de la gravedad y la presión del gas en la región interna del disco, regresó, por el camino "conduciendo" los restos de polvo y planetesimales hacia el cinturón de asteroides.
Algunos modeladores encuentran estos escenarios innecesariamente complejos. "Realmente creo en la navaja de Occam ('Lo que se puede hacer con menos [suposiciones] no se debe hacer con más', aproximadamente traducción)", dice Greg Laughlin, astrónomo de la Universidad de California, Santa Cruz.). Laughlin sostiene que lo más probable es que los planetas se hayan formado en el mismo lugar donde los vemos ahora. Dice que podrían formarse grandes planetas cerca de su estrella si los discos protoplanetarios contienen mucho más material de lo que se pensaba anteriormente. Todavía puede ocurrir algo de movimiento planetario, lo suficiente para explicar, por ejemplo, las resonancias, pero "este es el ajuste final, no la tubería principal", dice Laughlin.
Pero otros teóricos dicen que simplemente no puede haber suficiente material para formar planetas tan cerca de las estrellas, como 51 Pegasus by otros que están aún más cerca. “No podrían haberse formado en su lugar”, dice rotundamente el físico Joshua Wynn del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Y una proporción significativa de exoplanetas que se encuentran en órbitas oblongas, inclinadas o incluso invertidas también parecen implicar algún tipo de cambio de sistema planetario.
Para explicar estas rarezas, los teóricos citan un "arma cuerpo a cuerpo": la gravedad, no la migración de sedantes. El disco protoplanetario rico en material podría crear muchos planetas cercanos entre sí, donde la influencia de la gravedad podría hacer que las órbitas de algunos de ellos estuvieran cerca de la estrella, inclinadas e incluso arrojar al planeta fuera del sistema por completo. Otro destructor potencial es una estrella compañera en una órbita alargada. La mayoría de las veces, está demasiado lejos para tener un impacto significativo en el sistema planetario, pero cerca de él podría "cambiar" significativamente las órbitas de los planetas. O, si la estrella madre es miembro de un cúmulo de estrellas muy unido, la estrella vecina puede acercarse lo suficiente como para cambiar sus órbitas o incluso "agarrar" uno o más planetas por sí misma."Hay muchas formas de destruir un sistema planetario", dice Wynn.
Los investigadores que estudiaron los planetas encontrados por Kepler llegaron a una conclusión inesperada: resultó que el 60% de las supertierras que orbitan estrellas similares al sol son significativamente diferentes de lo que observamos en el sistema solar y requieren repensar las teorías existentes. La mayoría de las super-Tierras, compuestas principalmente de materia sólida con pequeños volúmenes de gas, siguen órbitas más cercanas a las estrellas que la Tierra y, a menudo, las estrellas tienen más de uno de esos planetas. Por ejemplo, el sistema Kepler-80 tiene cuatro super-Tierras, todas con órbitas de 9 días o menos. La teoría convencional sostiene que la acumulación dentro de una línea de nieve es demasiado lenta para producir algo tan grande. Pero las super-Tierras rara vez se encuentran en órbitas resonantes, lo que sugiere que no migraron, sino que se formaron inmediatamente donde las encontramos.
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Los investigadores están ideando nuevas formas de resolver este problema. Una idea es acelerar la acumulación mediante un proceso conocido como acumulación de guijarros. El disco rico en gas tiene un gran efecto en objetos del tamaño de un guijarro. Esto generalmente los ralentiza, lo que los obliga a acercarse a la estrella. Pero cuanto más cerca están de la estrella, mayor es la densidad y, como resultado, la velocidad de formación de los planetesimales aumenta al disminuir la distancia a la estrella. Pero la acreción acelerada y un disco rico en gas plantean un problema propio: en ese caso, las super-Tierras deberían adquirir una atmósfera espesa cuando superan un cierto tamaño. "¿Cómo evitar que se conviertan en gigantes gaseosos?" pregunta el astrofísico Roman Rafikov del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey.
Eugene Chang, astrónomo de la Universidad de California en Berkeley, dice que no hay necesidad de acelerar la acreción siempre que el disco esté saturado y sea rico en gas. Según él, el disco interior 10 veces más denso que el que formó el sistema solar podría crear fácilmente una o más supertierras que aparecerán en los últimos días del disco protoplanetario, cuando la mayor parte del gas ya se haya disipado.
Algunas observaciones preliminares del gran telescopio ALMA mm / submilimétrico en el norte de Chile apoyan esta propuesta. ALMA puede visualizar las emisiones de radio del polvo y la grava en los discos protoplanetarios, y los pocos discos que ha estudiado hasta ahora parecen ser relativamente masivos. Pero las observaciones aún no son la verdad definitiva, porque ALMA aún no está en pleno funcionamiento y solo se puede utilizar para observar las partes externas de los discos, y no las regiones donde se encuentran las super-Tierras. “Podremos ver las áreas interiores cuando ALMA pueda usar todas sus 66 antenas”, dice Chang.
Chang también tiene una explicación para el otro descubrimiento de Kepler: superpuffs, un tipo de planetas poco común e igualmente problemático que son más ligeros que las super-Tierras, pero parecen enormes debido a que su atmósfera exuberante constituye el 20% de su masa. Se cree que estos planetas se forman en un disco rico en gas. Pero en el disco interno, tal volumen de gas caliente no puede ser retenido por las fuerzas de gravedad débil del protoplaneta, por lo que el gas frío y denso del disco externo es un lugar más probable para el origen de tales planetas. Chang atribuye sus órbitas cercanas a las estrellas a la migración, una afirmación respaldada por el hecho de que las superpuffs a menudo se encuentran atrapadas en órbitas resonantes.
Hasta ahora, la mayor parte de la atención en la investigación de exoplanetas se ha centrado en las partes internas de los sistemas planetarios, hasta aproximadamente una distancia equivalente a la órbita de Júpiter, por la sencilla razón de que todos los métodos existentes para detectar exoplanetas no permiten que se encuentren a mayores distancias de la estrella. Dos métodos principales, medir las vibraciones de las estrellas causadas por la influencia gravitacional de los planetas y medir el oscurecimiento periódico del disco de una estrella a medida que los planetas lo atraviesan, le permiten encontrar grandes planetas en órbitas cercanas. La captura de imágenes de los propios planetas es extremadamente difícil porque su tenue luz es casi ahogada por la luz de sus estrellas, que puede ser mil millones de veces más brillante.
Pero al aprovechar al máximo los telescopios más grandes del mundo, los astrónomos pudieron ver varios planetas. El Sistema Espectropolarimétrico de Alto Contraste (SPHERE) y el Twin Planet Imager (GPI), agregados a los grandes telescopios en Chile, están equipados con máscaras sofisticadas llamadas coronógrafos para bloquear la luz de las estrellas. Por lo tanto, no es de extrañar que los planetas alejados de sus estrellas sean los objetivos más fáciles para ellos.
Uno de los primeros y más llamativos sistemas planetarios detectados por imágenes directas es el de HR 8799, donde cuatro planetas están ubicados desde la estrella a distancias desde la órbita de Saturno hasta más del doble de la órbita de Neptuno. Lo más sorprendente es que los cuatro planetas son enormes, más de cinco veces la masa de Júpiter. Según la teoría, los planetas en órbitas tan distantes se mueven tan lentamente que deberían crecer con la velocidad de un caracol y acumular masas, significativamente menos que las de Júpiter cuando el disco de gas y polvo desaparezca. Y sin embargo, sus "buenas" órbitas circulares sugieren que se formaron inmediatamente sobre ellas y no migraron hacia ellas desde áreas más cercanas a la estrella.
Gigantes tan distantes apoyan la teoría más radical, en la que algunos planetas se forman no por acreción, sino por la llamada inestabilidad gravitacional. Este proceso requiere un disco protoplanetario rico en gas que se rompe en "grupos" por su propia gravedad. Estas acumulaciones de gas eventualmente se combinan y colapsan en planetas de gas sin formar un núcleo sólido. Los modelos asumen que el mecanismo solo funcionará bajo ciertas circunstancias: el gas debe estar frío, no debe girar demasiado rápido y el gas comprimido debe poder eliminar el calor de manera eficiente. ¿Podría esta teoría explicar los planetas alrededor de HR 8799? Rafikov dice que solo los dos planetas exteriores están lo suficientemente lejos y fríos. "Sigue siendo un sistema bastante críptico", dice.
En el pasado, las observaciones de radiotelescopios de discos protoplanetarios han proporcionado cierto apoyo a la teoría de la inestabilidad gravitacional. Sensibles al gas frío, los telescopios encontraron discos "salpicados" con acumulaciones de gas. Pero las últimas imágenes de ALMA pintan un panorama diferente. ALMA es sensible a longitudes de onda más cortas, en las que se emiten granos de polvo en el plano medio del disco, y sus imágenes de las estrellas HL Tauri en 2014 y TW Hydrae este año mostraron discos simétricos suaves con "huecos" circulares oscuros que se extendían mucho más allá. la órbita de Neptuno (ver figura a continuación). “Fue una sorpresa asombrosa. El disco no era caótico, tenía una estructura agradable, regular y hermosa”, dice Rafikov. Estas brechas, que sugieren los planetas que las hicieron,hablar claramente a favor del modelo de acreción, que es un golpe para los defensores del modelo de inestabilidad gravitacional.
Es demasiado pronto para decir qué otras sorpresas tendrán GPI y SPHERE. Pero la región entre las regiones distantes de los sistemas planetarios y los alrededores cercanos de estrellas con Júpiter calientes y supertierras permanece obstinadamente fuera de alcance: demasiado cerca de la estrella para la visualización directa y demasiado lejos para los métodos indirectos basados en oscilaciones u oscurecimiento de la estrella madre. Como resultado, es difícil para los teóricos obtener una imagen completa de cómo son los sistemas exoplanetarios. "Nos basamos en observaciones fragmentarias e incompletas", dice Laughlin. "En este momento, probablemente todas las suposiciones estén equivocadas".
Los astrónomos no tendrán que esperar mucho para obtener nuevos datos. La NASA lanzará el satélite de imágenes de exoplanetas (TESS) el próximo año, momento en el que se espera que la Agencia Espacial Europea (ESA) también lance un satélite de caracterización de exoplanetas (CHEOPS). A diferencia de Kepler, que exploró una amplia variedad de estrellas simplemente para identificar exoplanetas, TESS y CHEOPS se centrarán en estrellas cercanas al Sol, lo que permitirá a los investigadores estudiar terra incognita migratoria (tierras desconocidas - aprox. Transl.). Y dado que las estrellas objetivo están cerca del sistema solar, los telescopios terrestres deberían poder estimar la masa de los planetas descubiertos, lo que permitirá a los investigadores calcular sus densidades y saber si son sólidos o gaseosos.
El telescopio James Webb, que se lanzará este año, podrá ir aún más lejos al analizar la luz de una estrella que atraviesa la atmósfera del exoplaneta para determinar su composición. "La composición es una clave importante para dar forma", dice Macintosh. Por ejemplo, una búsqueda de elementos pesados en atmósferas supra-terrestres puede indicar que se requiere un disco rico en tales elementos para la rápida formación de núcleos planetarios. Y en la próxima década, naves espaciales como TESS y CHEOPS se unirán a la búsqueda de exoplanetas, junto con una nueva generación de enormes telescopios terrestres con espejos de 30 metros o más de ancho.
Si las viejas teorías ayudaron a los modeladores a mantenerse en pie, entonces, bajo la presión de nuevos descubrimientos, esta base comienza a desmoronarse y los investigadores tendrán que sudar para mantenerse de pie. “La naturaleza es más inteligente que nuestras teorías”, dice Rafikov.
EGOR MOROZOV
