Dos familias de exoplanetas redefinen el aspecto que pueden tener los sistemas planetarios

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Dos familias apretadas de exoplanetas están superando los límites de lo que puede parecer un sistema planetario. Nuevos estudios sobre la composición de los mundos que orbitan alrededor de dos estrellas diferentes muestran una amplia gama de posibilidades planetarias, todas diferentes de nuestro sistema solar.

“Cuando estudiamos sistemas multiplaneto, simplemente hay más información almacenada en estos sistemas” que cualquier planeta por sí solo, dice la geofísica Caroline Dorn de la Universidad de Zurich. Estudiar los planetas juntos «nos dice acerca de la diversidad dentro de un sistema que no podemos obtener al observar planetas individuales».

Dorn y sus colegas estudiaron un antiguo sistema planetario favorito llamado TRAPPIST-1, que alberga siete planetas del tamaño de la Tierra que orbitan una pequeña estrella tenue a unos 40 años luz de distancia. Otro equipo estudió un sistema recientemente identificado llamado TOI-178, que tiene al menos seis planetas, tres ya conocidos y tres recién encontrados, rodeando una estrella brillante y caliente a unos 200 años luz de distancia.

Ambos sistemas ofrecen a los científicos planetarios una ventaja sobre las más de 3.000 familias de exoplanetas detectadas hasta la fecha: los siete planetas de TRAPPIST-1 y los seis de TOI-178 tienen masas y radios bien conocidos. Eso significa que los científicos planetarios pueden averiguar sus densidades, una pista de la composición de los planetas (SN: 11/05/18).

Los dos sistemas también ofrecen otra ventaja: los planetas están tan cerca de sus estrellas que la mayoría está involucrada en una delicada danza orbital llamada cadena de resonancia. Cada vez que un planeta exterior completa una órbita alrededor de su estrella, algunos de sus planetas hermanos más cercanos completan múltiples órbitas.

Las cadenas de resonancia son arreglos frágiles, y golpear un planeta incluso ligeramente fuera de su órbita puede destruirlos. Eso significa que los sistemas TRAPPIST-1 y TOI-178 deben haberse formado lenta y suavemente, dice el astrónomo Adrien Leleu de la Universidad de Ginebra.

Los planetas de TOI-178 están involucrados en una delicada danza orbital llamada cadena de resonancia que sugiere que el sistema se formó suavemente. Este video ilustra esta danza rítmica: cuando un planeta exterior completa una órbita completa, los planetas interiores completan múltiples órbitas. A cada órbita completa y media se le asigna una nota musical. Cuando los planetas se alinean, las notas se armonizan.

“No creemos que haya habido impactos gigantes, o interacciones fuertes donde un planeta expulsó a otro planeta”, dice Leleu. Esa suave evolución les da a los astrónomos una oportunidad única de utilizar TRAPPIST-1 y TOI-178 como bancos de pruebas para la teoría planetaria.

En un par de artículos, dos equipos describen estos sistemas con un detalle sin precedentes. Ambos se oponen a la tendencia que los astrónomos esperaban de las teorías sobre cómo se forman los sistemas planetarios.

En el sistema TOI-178, las densidades de los planetas están mezcladas, Leleu y sus colegas informan el 25 de enero en Astronomía y Astrofísica.

«En el escenario más sencillo, esperamos que los planetas más alejados de la estrella … tengan componentes más grandes de hidrógeno y helio que los planetas más cercanos», dice la astrofísica Leslie Rogers de la Universidad de Chicago, que no participó en ninguno de los estudios. Cuanto más cerca de la estrella, más denso debería ser un planeta. Eso es porque los planetas más lejanos probablemente se formaron donde hace frío, y para empezar, había más material de baja densidad como agua congelada, en lugar de rocas. Además, la luz de las estrellas puede quitar las atmósferas de los planetas cercanos más fácilmente que de los lejanos, dejando a los planetas interiores con atmósferas más delgadas, o sin atmósferas en absoluto (SN: 1/7/20).

TOI-178 hace caso omiso de esa tendencia por completo. Los planetas más internos parecen ser rocosos, con densidades similares a las de la Tierra. El tercero es «muy esponjoso», dice Leleu, con una densidad como la de Júpiter, pero en un planeta mucho más pequeño. El próximo planeta tiene una densidad como la de Neptuno, aproximadamente un tercio de la densidad de la Tierra. Luego, hay uno con aproximadamente el 60 por ciento de la densidad de la Tierra, todavía lo suficientemente esponjoso como para flotar si pudieras ponerlo en una tina de agua, y el planeta final es parecido a Júpiter.

“Las órbitas parecen indicar que no hubo una fuerte evolución desde [the system’s] formación ”, dice Leleu. «Pero las composiciones no son las que hubiéramos esperado de una formación suave en el disco».

El septeto planetario de TRAPPIST-1, por otro lado, tiene una misteriosa auto-similitud. Cada mundo tiene aproximadamente el mismo tamaño que la Tierra, entre 0,76 y 1,13 veces el radio de la Tierra, informaron el astrofísico Eric Agol de la Universidad de Washington en Seattle y sus colegas en 2017 (SN: 22/2/17). Además, al menos tres de ellos parecen estar en la zona habitable de la estrella, la región donde las temperaturas podrían ser adecuadas para el agua líquida.

Ahora, Agol, Dorn y sus colegas han realizado las mediciones más precisas de las masas de TRAPPIST-1 hasta el momento. Los siete mundos son casi idénticos entre sí pero un poco menos densos que la Tierra, informa el equipo en febrero Revista de ciencia planetaria. Eso significa que los planetas podrían ser rocosos pero tener una menor proporción de elementos pesados ​​como el hierro en comparación con la Tierra. O podría significar que tienen más oxígeno unido al hierro en sus rocas, «básicamente oxidándolo», dice Agol.

Tres planetas con diferentes composiciones.
Los siete planetas de TRAPPIST-1 parecen tener composiciones similares entre sí, pero diferentes a la Tierra. Podrían tener una composición similar a la de la Tierra pero con un núcleo más pequeño rico en hierro (centro), o no tener ningún núcleo (izquierda). También podrían tener océanos profundos (derecha), pero los tres planetas interiores probablemente estén demasiado calientes para que dure tanta agua.JPL-Caltech / NASA
Tres planetas con diferentes composiciones.
Los siete planetas de TRAPPIST-1 parecen tener composiciones similares entre sí, pero diferentes a la Tierra. Podrían tener una composición similar a la de la Tierra pero con un núcleo más pequeño rico en hierro (centro), o no tener ningún núcleo (izquierda). También podrían tener océanos profundos (derecha), pero los tres planetas interiores probablemente estén demasiado calientes para que dure tanta agua.JPL-Caltech / NASA

El hierro oxidado no formaría un núcleo planetario, lo que podría ser una mala noticia para la vida, dice Rogers. Sin núcleo podría significar que no hay campo magnético para proteger a los planetas de las llamaradas dañinas de la estrella (SN: 05/03/18).

Sin embargo, no está claro cómo formar planetas sin núcleo. “Hay propuestas sobre cómo formar tales planetas, pero en realidad no tenemos un candidato en el sistema solar donde veamos esto”, dice Dorn. Los análogos en el sistema solar son todos cuerpos del tamaño de un asteroide mucho menos masivos que la Tierra.

Los astrónomos pronto podrán comprender mejor las composiciones de los planetas de TRAPPIST-1. El telescopio espacial James Webb, que se lanzará en octubre, explorará las atmósferas de los planetas (si las tienen) en busca de signos de elementos químicos que revelen con más detalle de qué están hechos.

Las similitudes de los planetas TRAPPIST-1 entre sí no son tan sorprendentes como las diferencias entre los planetas de TOI-178, dice Rogers. Pero siguen siendo inesperados. Si todos los planetas tienen composiciones idénticas, entonces cualquier modelo de formación debe explicar eso, dice.

Si bien estos sistemas desafían las opiniones de los astrónomos sobre qué tipo de planetas son posibles, dice Dorn, será necesario descubrir más sistemas multiplanetas para saber cuán extraños son en realidad.

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