Un avance astronómico podría ayudar a limitar la búsqueda de planetas habitables.

Hace seis años, un análisis de los datos del telescopio espacial Kepler reveló una escasez de exoplanetas con tamaños de unas dos veces el radio de la Tierra, los conocidos como supertierras. Ahora, un nuevo estudio explica la razón de su escasez.

Por el Instituto Max Planck de Astronomía

Representación artística de un exoplaneta en el que el agua congelada en la superficie se vaporiza progresiva y forma una atmósfera durante su aproximación a la estrella central de su sistema planetario. Este proceso aumenta el radio planetario medido respecto al valor que tendría el planeta en su lugar de origen. Crédito: Thomas Müller (MPIA)

Astrónomos de Alemania y Suiza han encontrado pruebas de cómo surge la enigmática brecha en la distribución de tamaño de los exoplanetas que tienen un radio do veces mayor que el de la Tierra, las llamadas supertierras. Sus simulaciones por ordendor demuestran que la migración de los llamados subneptunos helados hacia las regiones internas de sus sistemas planetarios podría explicar este fenómeno.

A medida que los subneptunos helados se acercan a la estrella central, el agua helada que se evapora forma una atmósfera que hace que los planetas parezcan más grandes que en su estado congelado. Al mismo tiempo, los planetas rocosos más pequeños pierden gradualmente una parte de su envoltura gaseosa original, lo que hace que su radio medido se reduzca con el tiempo.

Normalmente, los planetas en sistemas planetarios evolucionados, como el Sistema Solar, siguen órbitas estables alrededor de su estrella anfitriona. Sin embargo, hay indicios que sugieren que algunos planetas podrían abandonar sus lugares de nacimiento durante su evolución temprana y migrar hacia adentro o hacia afuera del sistema.

Existen muchos exoplanetas más pequeños y más grandes que las supertierras.

Esta migración planetaria también podría explicar una observación que ha desconcertado a los investigadores durante varios años: el número relativamente bajo de exoplanetas con tamaños aproximadamente dos veces mayor que el de la Tierra. Esta particularidad se conoce como valle o brecha del radio. Por el contrario, existen muchos exoplanetas más pequeños y más grandes de este tamaño.

“Hace seis años, un nuevo análisis de los datos del telescopio espacial Kepler reveló una escasez de exoplanetas con tamaños de alrededor dos veces el radio de la Tierra”, explica Remo Burn, investigador de exoplanetas en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), en Heidelberg (Alemania). Es el autor principal del artículo que aparece publicado en Nature Astronomy.

"De hecho, nosotros, al igual que otros grupos de investigación, predijimos, basándonos en nuestros cálculos e incluso antes de esta observación, que ese hueco debía existir", explica el coautor del trabajo Christoph Mordasini, miembro del Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) PlanetS y director de la División de Investigación Espacial y Ciencias Planetarias de la Universidad de Berna (Suiza). Esta predicción se gestó durante su etapa como científico en el MPIA, que lleva muchos años trabajando en este campo con la Universidad de Berna.

En determinadas condiciones, los planetas pueden desplazarse hacia el interior y el exterior de los sistemas planetarios a lo largo del tiempo.

El mecanismo más comúnmente sugerido para explicar la aparición de este valle de radio es que los planetas podrían perder parte de su atmósfera original debido a la irradiación de la estrella central, especialmente gases volátiles, como el hidrógeno y el helio. "Sin embargo, esta explicación deja de lado la influencia de la migración planetaria", aclara Burn.

Desde hace unos cuarenta años se sabe que, en determinadas condiciones, los planetas pueden desplazarse hacia el interior y el exterior de los sistemas planetarios a lo largo del tiempo. La eficacia de esta migración y en qué medida influye en el desarrollo de los sistemas planetarios juegan un papel importante en la génesis del valle del radio.

Distribución de tamaño de exoplanetas observados y simulados con radios inferiores a cinco radios terrestres. Crédito: R. Burn, Ch. Mordasini / MPIA

Dos tipos diferentes de exoplanetas comparten el rango de tamaños que rodean la citada brecha. Por un lado, están los planetas rocosos, que pueden ser más masivos que la Tierra y, por eso, se les llama supertierras. Por otro lado, los astrónomos están descubriendo en sistemas planetarios distantes cada vez más mundos que encuadran dentro de la categoría de subneptunos o minineptunos. Por término medio. estos son ligeramente más grandes que las supertierras.

“Sin embargo, no tenemos esta clase de exoplanetas en el Sistema Solar— apunta Burn. Y añade: —Por eso, incluso hoy en día, no estamos exactamente seguros de su estructura y composición".

Aun así, los astrónomos coinciden en general en afirmar que estos planetas poseen atmósferas significativamente más extensas que los planetas rocosos. Por consiguiente, no se sabe a ciencia cierta cómo contribuyen las características de estos subneptunos a la diferencia de radio. Es más, ¿podría sugerir que estos dos tipos de mundos se forman de manera diferente?

Planetas de hielo errantes.

“Basándonos en simulaciones que ya publicamos en 2020, los últimos resultados indican y confirman que, en cambio, la evolución de los subneptunos después de su nacimiento contribuye de manera significativa al valle del radio observado”, concluye Julia Venturini, de la Universidad de Ginebra (Suiza). Venturini es miembro de la colaboración PlanetS mencionada anteriormente y dirigió el estudio de 2020.

En las regiones heladas de sus lugares de nacimiento, donde los planetas reciben poca radiación térmica de la estrella, los subneptunos deberían tener tamaños que faltan en la distribución observada. A medida que estos planetas presumiblemente helados migran más cerca de la estrella, el hielo se derrite y eventualmente forma una espesa atmósfera de vapor de agua.

Este proceso da como resultado un cambio en los radios de los planetas hacia valores mayores. Al fin y al cabo, las observaciones utilizadas para medir los radios planetarios no pueden diferenciar si el tamaño determinado se debe únicamente a la parte sólida del planeta o a una atmósfera densa adicional.

Al mismo tiempo, como ya se sugirió en la imagen anterior, los planetas rocosos se encogen al perder su atmósfera. En general, ambos mecanismos producen una falta de planetas con tamaños alrededor de dos radios terrestres.

Modelos físicos por computadora que simulan la evolución de sistemas planetarios.

"La investigación teórica del grupo de Berna-Heidelberg ya permitió en el pasado avanzar de forma significativa en lo que respecta a nuestra comprensión de la formación y composición de los sistemas planetarios— explica el director del MPIA, Thomas Henning. Y añade: —Por lo tanto, el estudio actual es el resultado de muchos años de trabajo preparatorio conjunto y mejoras constantes de los modelos físicos".

Los últimos resultados surgen de cálculos de modelos físicos que rastrean la formación de planetas y su posterior evolución. Abarcan procesos en los discos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes y que dan lugar a nuevos planetas. Estos modelos incluyen la aparición de atmósferas, la mezcla de diferentes gases y la migración radial.

Recreación artísitica de un minineptuno. Credito: Pablo Carlos Budassi

"El aspecto central de este estudio fueron las propiedades del agua a las presiones y temperaturas que ocurren dentro de los planetas y sus atmósferas", explica Burn. Comprender cómo se comporta el agua en una amplia gama de presiones y temperaturas es crucial para las simulaciones. Estos conocimientos solo han avanzado de manera relevante en los últimos años. Es este componente el que permite un cálculo realista del comportamiento de los subneptunos, y explicar así la presencia de atmósferas extensas en regiones más cálidas.

"Es sorprendente cómo, como en este caso, las propiedades físicas a nivel molecular influyen en procesos astronómicos a gran escala; es le caso de la formación de atmósferas planetarias", añade Henning.

"Si expandiéramos nuestros resultados a regiones más frías, donde el agua es líquida, esto podría sugerir la existencia de mundos acuáticos con océanos profundos— señala Mordasini. Y continúa: "Estos planetas podrían potencialmente albergar vida y serían objetivos relativamente sencillos para la búsqueda de biomarcadores gracias a su tamaño".

El telescopio espacial James Webb podría echar un cable, así como el futuro ELT.

Sin embargo, el trabajo actual es solo una pieza importante del enigma. Aunque la distribución de tamaños simulada se acerca mucho a la observada y la brecha de radios está en el lugar correcto, los detalles siguen presentando algunas incoherencias. Por ejemplo, en los cálculos hay demasiados planetas de hielo que acaban demasiado cerca de la estrella central. No obstante, los investigadores no perciben esta circunstancia como una desventaja, sino que esperan aprender más sobre la migración planetaria de este modo.

También podrían ayudar las observaciones con telescopios como el James Webb Space Telescope (JWST) y el Extremely Large Telescope (ELT), este último en fase de construcción. Serían capaces de determinar la composición de los planetas en función de su tamaño, lo que proporcionaría pruebas que apoyaran o no las simulaciones aquí descritas.

• Información facilitada por el Instituto Max Planck de Astronomía

• Fuente: Burn, R., Mordasini, C., Mishra, L. et al. A radius valley between migrated steam worlds and evaporated rocky cores. Nature Astronomy (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02183-7