Logran explicar la distribución de tamaño de los planetas extrasolares detectados por la misión Kepler de la NASA

A comienzos de 2009, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) puso en órbita el observatorio espacial Kepler, que tenía entre sus objetivos la detección de exoplanetas, es decir planetas que se encuentran por fuera de nuestro sistema solar. Al cabo de 10 años, la denominada “misión Kepler” logró identificar alrededor de 2.800 planetas extrasolares e inferir la existencia de más de 3.250 candidatos a ser confirmados como tales. Una de las cosas que llamó la atención de la comunidad científica internacional fue la dimensión de la mayor parte de ellos, con medidas que van desde el tamaño de la Tierra hasta el de Neptuno, es decir cuatro veces más grandes que nuestro planeta, aunque la mayoría se agrupa en dos medidas estándar que predominan: 1,3 veces y 2,5 veces el radio de la Tierra, respectivamente. Para hallar una explicación al por qué de esa distribución de tamaños, un grupo de investigadores de Suiza, Argentina y Chile, del que participó un experto del CONICET La Plata, combinó modelos de formación y evolución planetaria y dio con la respuesta. Los resultados de su estudio se publican hoy en la revista Astronomy & Astrophysics Letter.

“Desde 2017, año en que se descubrió esa distribución de tamaños en estos exoplanetas, hubo mucho trabajo teórico tratando de explicar los por qué”, comenta Julia Venturini, astrofísica uruguaya que se desempeña en el Instituto Internacional de Ciencias Espaciales (ISSI, por sus siglas en inglés) de Berna, Suiza, y desarrolla: “Hasta el momento, los modelos que se han propuesto en general son evolutivos, es decir que no toman en cuenta la formación de los planetas sino que asumen que estos ya existen y a partir de eso calculan el enfriamiento y la pérdida de sus atmósferas. Parten de la hipótesis de que son todos secos, y encuentran que los que quedan en el primer pico de distribución pierden completamente sus atmósferas de hidrógeno y helio debido a la irradiación de la estrella, mientras que los del segundo pico logran retener algo de esas atmósferas primordiales. El problema de esto es que entra en contradicción con los modelos de formación planetaria”.

En ese sentido, el equipo se propuso desarrollar un modelo que tuviera en cuenta además la etapa de gestación de los planetas, ya que en el proceso de formación tienen lugar fenómenos muy importantes para su ensamblaje. “Los planetas se forman por un mecanismo que se conoce como de acreción, en el cual el embrión del futuro astro va acumulando pequeñas piedritas, o pebbles, que orbitan sobre un disco circunestelar, es decir el anillo que se encuentra en torno a la estrella central del sistema. Pero la composición química de esas pebbles es distinta según se encuentren más cerca o más lejos de ese objeto”, explica la experta.

“En esos discos protoplanetarios, es decir sobre los cuales nacen los planetas, hay una zona que se conoce como línea de nieve o línea de hielo que es la que va a determinar según la temperatura cómo será la composición de esas pebbles”, cuenta Octavio Guilera, investigador del CONICET en el Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP, CONICET-UNLP). Como afirma el experto, desde esa marca hacia la estrella central el material será seco, rocoso, mientras que hacia las regiones externas del anillo estarán compuestas por una mezcla de hielo de agua y rocas en cantidades iguales.

En el escenario turbulento de formación en el que esas pebbles van colisionando entre sí, esa diferencia de composición es determinante para su evolución: las secas, rocosas, se rompen a una velocidad menor que las heladas, y por lo tanto se fragmentan en pedazos más pequeños de una manera más eficiente. “Eso hace que los núcleos de los planetas que se forman más allá de la línea de hielo sean más grandes que los que lo hacen hacia adentro. Y esa distinción es en última instancia lo que proponemos para explicar la diferencia de tamaños”, apunta Venturini.

Uno de los procesos que tuvieron en cuenta los expertos es de qué manera se equilibra la disposición de la atmósfera de estos exoplanetas. “Los planetas no solo acretan sólidos sino también gas, y eso hace que formen una atmósfera a su alrededor. Esto complica el estudio, pero nosotros consideramos también los mecanismos por los cuales se pierde la atmósfera. Mostramos que las colisiones, por ejemplo, ayudan a remover gas, lo que hace que los planetas terminen pareciéndose más a los núcleos originales que formamos y que dan cuenta de los dos picos de distribución de tamaños de Kepler”.

“Es un resultado muy interesante, ya que propone un modelo teórico que es capaz de reproducir las observaciones de Kepler, que es contrastable con ellas. Y lo destacable es que es uno de los primeros trabajos que se basa en modelos de formación y no solo de evolución, para hallar una respuesta”, comenta Guilera.

Sin analogías con nuestro planeta

Si bien uno de los objetivos de la misión Kepler fue la detección de planetas similares al nuestro y la mayoría de los que halló tiene masas, radios e incluso composiciones parecidas, los expertos son claros en remarcar que no es correcto trazar analogías con la Tierra: “Por un sesgo observacional, en primer término, cosas tan chiquitas como la Tierra, y a la distancia a la que se encuentra de estrella, el Sol, son muy difíciles de detectar. Por otro lado, estos exoplanetas están mucho más cerca de sus estrellas”, dice Venturini.

“Están a un período orbital parecido e incluso menor al de Mercurio respecto del Sol, es decir que están muy irradiados por sus estrellas anfitrionas, y tienen temperaturas mucho más altas que las que nosotros recibimos. Todavía la tecnología no ha permitido descubrir un planeta como la Tierra en una estrella como el Sol, y a esa distancia entre sí”, cierra Guilera.

Por Marcelo Gisande.

Referencia bibliográfica:

Venturini, J., Guilera, O. M., Haldemann, J., Ronco, M. P., & Mordasini, C. (2020). The Nature of the Radius Valley: Hints from Formation and Evolution Models. arXiv preprint arXiv:2008.05513. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039141

Sobre investigación:

Julia Venturini. Investigadora. ISSI. Suiza.

Octavio Guilera. Investigador adjunto. IALP.

Jonas Haldemann. Universidad de Berna, Suiza.

María Paula Ronco. Pontificia Universidad Católica, Chile.

Christoph Mordasini. Universidad de Berna, Suiza.