Descubrimiento de nuevo planeta desafía las teorías de formación planetaria

Un pequeño telescopio y un difusor de bajo costo fueron claves para la investigación

4 Agosto 2020

Observaciones detalladas realizadas en instalaciones de NOIRLab de NSF, revelaron un nuevo exoplaneta orbitando una joven estrella en el cúmulo de las Híades, el cual resultó ser inusualmente denso para su tamaño y edad. Con un peso de unas 25 masas terrestres y un poco más pequeño que Neptuno, la existencia de este planeta desafía las principales teorías de formación planetaria.

Nuevas observaciones del exoplaneta conocido como K2-25b, plantean nuevas interrogantes sobre las teorías actuales de formación planetaria [1], ya que se trata de un planeta extrasolar inusualmente denso para su tamaño y edad, haciendo que los astrónomos se pregunten cómo llegó a existir.

Los datos fueron obtenidos utilizando distintas instalaciones, como el telescopio WIYN de 0,9 metros en el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), un Programa del Observatorio AURA y NOIRLab de NSF; el Telescopio Hobby-Eberly en el Observatorio McDonald; además de otros centros de investigación.

Ligeramente más pequeño que Neptuno, K2-25b orbita una estrella enana de clase M en apenas 3,5 días (este es el tipo de estrella más común en la galaxia). El sistema planetario es un miembro del cúmulo estelar de Híades, un cúmulo cercano de estrellas jóvenes en dirección a la constelación de Tauro. El sistema tiene aproximadamente 600 millones de años y se encuentra a unos 150 años luz de la Tierra.

Los planetas con tamaños entre los de la Tierra y Neptuno son compañeros comunes de las estrellas en la Vía Láctea, a pesar de que no se encuentran tales planetas en nuestro Sistema Solar. Comprender cómo se forman y evolucionan estos planetas "sub-Neptuno" es una pregunta desafiante en los estudios de exoplanetas.

Los astrónomos predicen que los planetas gigantes se forman al ensamblar primero un modesto núcleo de hielo-roca de 5 a 10 veces la masa de la Tierra y luego se cubren en una envoltura gaseosa masiva que tiene cientos de veces la masa de la Tierra. El resultado es un gigante gaseoso como Júpiter. Sin embargo, K2-25b rompe todas las reglas de esta imagen convencional: con una masa 25 veces mayor que la de la Tierra y un tamaño modesto, K2-25b es casi todo núcleo y muy poca envoltura gaseosa. Estas extrañas propiedades plantean dos rompecabezas para los astrónomos. Primero, ¿cómo el planeta pudo generar un núcleo tan grande, de 5 a 10 veces la masa terrestre predicha por la teoría? [2] Y en segundo lugar, con su enorme masa en el núcleo, y la consiguiente fuerte atracción gravitacional, ¿cómo evitó acumular una envoltura gaseosa significativa?

El equipo que estudió K2-25b encontró el resultado sorprendente: "K2-25b es inusual", dijo Gudmundur Stefansson, becario postdoctoral en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación. Según Stefansson, el exoplaneta es más pequeño que Neptuno, pero es aproximadamente 1,5 veces más masivo. 

"El planeta es denso por su tamaño y edad, en contraste con otros planetas jóvenes del tamaño de Neptuno que orbitan cerca de su estrella anfitriona", comentó Stefansson.“Por lo general, se observa que estos mundos tienen bajas densidades, y algunos incluso tienen atmósferas de evaporación extendidas. K2-25b, con las medidas en mano, parece tener un núcleo denso, ya sea rocoso o rico en agua, con una envoltura delgada".

Para explorar la naturaleza y el origen de K2-25b, los astrónomos determinaron su masa y densidad. Aunque el tamaño del exoplaneta se midió inicialmente con el satélite Kepler de la NASA, la medición del tamaño se refinó utilizando mediciones de alta precisión con el telescopio WIYN de 0,9 metros en KPNO y el telescopio de 3,5 metros en el Observatorio Apache Point (APO) en Nuevo México. Las observaciones realizadas con estos dos telescopios aprovecharon una técnica simple pero efectiva que se desarrolló como parte de la tesis doctoral de Stefansson. La técnica utiliza un componente óptico inteligente llamado difusor de ingeniería, que puede obtenerse por alrededor de $500 dólares. El difusor extiende la luz de la estrella para cubrir más píxeles en la cámara, lo que permite medir con mayor precisión el brillo de la estrella durante el tránsito del planeta, y resulta en una medición de mayor precisión del tamaño del planeta en órbita, entre otros parámetros [3].

"El innovador difusor nos permitió definir mejor la forma del tránsito y, por lo tanto, restringir aún más el tamaño, la densidad y la composición del planeta", señaló Jayadev Rajagopal, astrónomo de NOIRLab que también participó en el estudio

Por su bajo costo, el difusor ofrece un gran rendimiento científico. "Los telescopios de menor apertura, cuando están equipados con equipos de última generación, pero económicos, pueden ser plataformas para programas científicos de alto impacto", explica Rajagopal. "Se necesitará una fotometría muy precisa para explorar estrellas y planetas anfitriones en conjunto con misiones espaciales y telescopios terrestres más grandes, y esto es una ilustración del papel que un telescopio de 0,9 metros, de tamaño modesto, puede desempeñar en ese esfuerzo".

Gracias a las observaciones con los difusores disponibles en los telescopios WIYN de 0,9 metros y APO de 3,5 metros, los astrónomos ahora pueden predecir con mayor precisión cuándo K2-25b transitará su estrella anfitriona. Mientras que antes los tránsitos sólo podían predecirse con una precisión de tiempo de 30 a 40 minutos, ahora se conocen con una precisión de 20 segundos. La mejora es crítica para planificar observaciones de seguimiento con instalaciones como el Observatorio Internacional de Gemini y el Telescopio Espacial James Webb [4].

Muchos de los autores de este estudio también están involucrados en otro proyecto de búsqueda de exoplanetas en KPNO: el espectrómetro NEID en el telescopio WIYN de 3,5 metros. NEID permite a los astrónomos medir el movimiento de las estrellas cercanas con extrema precisión, aproximadamente tres veces mejor que la generación anterior de instrumentos de última generación, lo que les permite detectar, determinar la masa y caracterizar exoplanetas tan pequeños como la Tierra.

Notas

[1] El planeta fue detectado originalmente por Kepler en 2016. Se hicieron observaciones detalladas para este estudio utilizando el Buscador de Planetas de Zona Habitable en el Telescopio Hobby Eberly de 11 metros en el Observatorio McDonald.

[2] La predicción de la teoría es que una vez que los planetas han formado un núcleo de 5 a 10 masas terrestres, comienzan a acumular gas: se agrega muy poco material rocoso después de eso.

[3] Los difusores se usaron por primera vez para observaciones de exoplanetas en 2017.

[4] GHOST, en Gemini Sur, se utilizará para llevar a cabo la espectroscopía de tránsito de exoplanetas encontrados por Kepler y TESS. Su lista de objetivos incluye la estrella K2-25.

Más Información

Esta investigación fue presentada en un artículo para aparecer en The Astronomical Journal.

El equipo está compuesto por Gudmundur Stefansson (The Pennsylvania State University and Princeton University), Suvrath Mahadevan (The Pennsylvania State University), Marissa Maney (The Pennsylvania State University), Joe P. Ninan (The Pennsylvania State University), Paul Robertson (University of California, Irvine), Jayadev Rajagopal (NSF’s NOIRLab), Flynn Haase (NSF’s NOIRLab), Lori Allen (NSF’s NOIRLab), Eric B. Ford (The Pennsylvania State University), Joshua Winn (Princeton), Angie Wolfgang (The Pennsylvania State University), Rebekah I. Dawson (The Pennsylvania State University), John Wisniewski (University of Oklahoma), Chad F. Bender (University of Arizona), Caleb Cañas (The Pennsylvania State University), William Cochran (The University of Texas at Austin), Scott A. Diddams (National Institute of Standards and Technology, and University of Colorado), Connor Fredrick (National Institute of Standards and Technology, and University of Colorado), Samuel Halverson (Jet Propulsion Laboratory), Fred Hearty (The Pennsylvania State University), Leslie Hebb (Hobart and William Smith Colleges), Shubham Kanodia (The Pennsylvania State University), Eric Levi (The Pennsylvania State University), Andrew J. Metcalf (Air Force Research Laboratory, National Institute of Standards and Technology, and University of Colorado), Andrew Monson (The Pennsylvania State University), Lawrence Ramsey (The Pennsylvania State University), Arpita Roy (California Institute of Technology), Christian Schwab (Macquarie University), Ryan Terrien (Carleton College), and Jason T. Wright (The Pennsylvania State University).

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (en cooperación con SLAC National Accelerator Laboratory del DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

El telescopio WIYN de 0,9 metros está basado en una asociación entre el Consorcio WIYN (que es dirigido por la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de Indiana), y NOIRLab de NSF. Sus operaciones incluyen un grupo internacional de universidades.

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Esta es una traducción del Comunicado de Prensa de NOIRLab noirlab2018.