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 varios años: la escasez de planetas duplica aproximadamente 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 grave escasez de exoplanetas que midan entre 1,5 y el doble del radio de la Tierra. Es el medio feliz entre las supertierras rocosas y los planetas más grandes cubiertos de gas llamados mini-Neptunes. Desde el descubrimiento de esta «desviación de radio» en 2017, los científicos han tratado de averiguar por qué hay tan pocos cuerpos celestes de tamaño mediano.

El nuevo índice nació de una nueva forma de ver los datos. Un equipo de investigadores dirigido por Trevor David del Instituto Flatiron estudió si la brecha del radio cambia a medida que los planetas envejecen. Dividieron los exoplanetas en dos grupos, jóvenes y viejos, y reevaluaron la brecha. Los radios planetarios menos comunes del grupo más joven eran en promedio más pequeños que los menos comunes en el grupo más antiguo, encontraron. Si bien el tamaño más raro para los planetas más jóvenes era alrededor de 1,6 veces el radio de la Tierra, es alrededor de 1,8 veces el radio de la Tierra en edades más avanzadas.

La implicación, dijeron los investigadores, es que algunos mini-Neptuno se encogen drásticamente durante miles de millones de años a medida que su atmósfera se escapa, dejando solo un núcleo sólido. Al perder su gas, los mini-Neptunes «saltan» lejos del radio del planeta y se convierten en súper-Tierras. Con el tiempo, la brecha del radio cambia a medida que los mini-Neptuno cada vez más grandes dan el salto, transformándose en Supertierras cada vez más grandes. La brecha, en otras palabras, es el abismo entre las supertierras más grandes y las mini-Neptunas más pequeñas que aún pueden contener su atmósfera. Los investigadores informaron sus hallazgos el 14 de mayo de 2021 en La revista astronómica.

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

“El punto primordial es que los planetas no son las esferas estáticas de roca y gas como 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 atmosférica propuestos anteriormente, «algunos de estos planetas eran 10 veces más grandes al comienzo de su vida».

Los resultados dan crédito a dos sospechosos propuestos previamente en el caso: el calor residual 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 filtre al espacio. “Ambos efectos son probablemente 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 Gabriella Contardo, Investigadora Asociada CCA, Ruth Angus, Investigadora Asociada CCA, Megan Bedell, Investigadora Asociada CCA, Daniel Foreman-Mackey, Investigador Asociado CCA, y Samuel Grunblatt, Miembro Visitante en CCA CCA.

El nuevo estudio utilizó datos recopilados por la nave espacial Kepler, que midió la luz de estrellas distantes. Cuando una exoplaneta se mueve entre una estrella y la Tierra, la luz observada de la estrella disminuye. Al analizar la velocidad a la que el planeta orbita su estrella, el tamaño de la estrella y la extensión de la gradación, los astrónomos pueden estimar el tamaño del exoplaneta. Estos análisis llevaron finalmente al descubrimiento de la desviación del radio.

Una simulación por computadora de cómo cambia la distribución de tamaño de los planetas a medida que envejecen los sistemas planetarios. La desviación del radio es evidente en aproximadamente el 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 el miniNeptuno los planetas pierden su atmósfera, dejando atrás una super-Tierra sólida. Se resalta 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 (Colegio Imperial de Londres)

Los científicos ya han propuesto algunos mecanismos potenciales para crear 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 ciertos planetas se forman sin suficiente gas cerca para inflar su tamaño. En este escenario, el radio del planeta y, por lo tanto, la desviación del radio, se imprimirían al nacer. Otra hipótesis era que las colisiones con rocas espaciales podrían hacer que la atmósfera espesa de un planeta explotara, evitando que los planetas más pequeños acumularan una gran cantidad de gas. Este mecanismo de impacto tardaría entre 10 y 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 residual de la formación de un planeta agrega lentamente energía a la atmósfera del planeta, lo que hace que el gas se filtre al espacio durante miles de millones de años.

David y sus colegas comenzaron su investigación observando más de cerca la brecha en sí. Evaluar los tamaños de estrellas y exoplanetas puede ser complicado, por lo que limpiaron los datos para incluir solo planetas cuyos diámetros se conocían con confianza. Este procesamiento de datos reveló una laguna que estaba más vacía de lo que se pensaba.

Luego, los investigadores clasificaron los planetas según fueran más jóvenes o 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 basándose en la edad de su estrella.

Los resultados sugieren que los mini-Neptunes más pequeños no pueden conservar gas. A lo largo de miles de millones de años, el gas se elimina, dejando una super-Tierra en su mayoría sólida. Este proceso lleva más tiempo para los mini-Neptunes 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 su atmósfera.

El hecho de que la desviación del radio evolucione a lo largo de miles de millones de años sugiere que el culpable no son las colisiones planetarias o alguna peculiaridad inherente a la formación planetaria. El calor residual del interior de los planetas, que elimina gradualmente la atmósfera, está bien, dice David, pero la intensa radiación de las estrellas madres también podría contribuir, especialmente al principio. El siguiente paso es que los científicos modelen mejor la evolución de los planetas para determinar qué explicación juega un papel más importante. Esto podría significar considerar complejidades adicionales como las interacciones entre atmósferas nacientes y campos magnéticos planetarios u océanos de magma.

Referencia: «Evolución de la distribución del tamaño de los exoplanetas: formando grandes supertierras durante miles de millones de años» por Trevor J. David, Gabriella Contardo, Angeli Sandoval, Ruth Angus, Yuxi (Lucy) Lu, Megan Bedell, Jason L. Curtis, Daniel Foreman-Mackey, Benjamin J. Fulton, Samuel K. Grunblatt y Erik A. Petigura, 14 de mayo de 2021, La revista astronómica.
DOI: 10.3847 / 1538-3881 / abf439