Astrónomos escanean 800 púlsares para ver si alguno de ellos tiene planetas


Los astrónomos descubrieron los primeros exoplanetas en 1992. Encontraron un par de ellos orbitando el púlsar PSR B1257+12 a unos 2300 años luz del Sol. Dos años más tarde descubrieron el tercer planeta del sistema.

Ahora, un equipo de astrónomos está tratando de duplicar esa hazaña buscando exoplanetas en 800 púlsares conocidos.
El equipo de astrónomos es del Centro de Astrofísica Jodrell Bank de la Universidad de Manchester. Jodrell Bank tiene un grupo que trabaja en púlsares y astrofísica en el dominio del tiempo. Los púlsares son objetos de interés por varias razones diferentes, y Jodrell Bank monitorea 800 púlsares como parte de su trabajo.
El equipo presenta sus resultados en un documento titulado «Una búsqueda de compañeros planetarios alrededor de 800 púlsares del programa de sincronización de púlsares de Jodrell Bank». La primera autora del artículo es Iuliana Niţu y el artículo se publicará en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Jocelyn Bell Burnell, una astrofísica de Irlanda del Norte, descubrió el primer púlsar en 1967. Le tomó un tiempo a ella y a otro astrofísico descubrir qué eran. Hubo la especulación habitual sobre fuentes extraterrestres, pero una vez que se descubrieron y estudiaron otros púlsares, quedó claro que eran objetos naturales.
Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y que están altamente magnetizadas y emiten haces de radiación electromagnética desde sus polos. Cuando uno de los polos apunta a la Tierra, podemos verlo, como un faro. Se sabe que los púlsares emiten en radio, luz visible, rayos X e incluso rayos gamma. A medida que un púlsar gira, el haz es visible y luego invisible en intervalos tan pequeños como varios milisegundos. Los intervalos son muy precisos, más precisos que un reloj atómico, y eso hace que los púlsares sean herramientas útiles para los astrónomos.
Sus intervalos precisos los hacen ideales para buscar planetas a su alrededor. Incluso una ligera variación en su sincronización significa que el púlsar se está moviendo hacia adelante y hacia atrás. Eso significa que uno o más planetas podrían estar tirando de él. La búsqueda de exoplanetas alrededor de púlsares se denomina método de sincronización de púlsares.

El método de tránsito es el método más común para buscar exoplanetas. Eso implica observar la luz de una estrella y buscar caídas regulares en su luz. Una caída en la luz de las estrellas podría indicar la presencia de un planeta en tránsito frente a la estrella, y si la caída se repite regularmente, es evidencia de una órbita. Los científicos encuentran la mayoría de los exoplanetas con este método, aunque a menudo se usan mediciones de seguimiento con otros métodos para ayudar a confirmar la presencia de un planeta.

Un problema con el método de tránsito es su sesgo de selección inherente. Es mucho más fácil detectar planetas grandes porque bloquean más la luz de las estrellas. También es más fácil encontrar planetas que orbitan cerca de sus estrellas porque orbitan más rápido y provocan caídas en la luz de las estrellas con más frecuencia.

Pero el tiempo del púlsar es diferente. Debido a que la sincronización de los púlsares es tan precisa, incluso los planetas pequeños pueden tirar de los púlsares lo suficiente como para señalar su presencia. Los planetas detectados alrededor de PSR B1257+12 a principios de la década de 1990 eran más pequeños que la mayoría de los exoplanetas encontrados con el método de tránsito. El más pequeño de los tres tenía solo 0,002 masas terrestres. A partir de 2019, el exoplaneta más pequeño jamás encontrado con el método de tránsito tenía el 80% del tamaño de la Tierra.
Este nuevo esfuerzo para encontrar exoplanetas alrededor de 800 púlsares es diferente a otros esfuerzos de búsqueda de planetas. Este esfuerzo no es una nueva encuesta o programa de monitoreo. En cambio, se basa en la búsqueda de datos existentes sobre púlsares en el Jodrell Bank Center. «El conjunto de datos utilizado en este trabajo se compone de observaciones de aproximadamente 800 púlsares de la base de datos de tiempo de púlsares de Jodrell Bank», explican los autores.
Pero, ¿cuál es la probabilidad de encontrar más exoplanetas alrededor de púlsares? Los púlsares son objetos extremos con largas historias marcadas por catástrofes episódicas. «La aparente rareza de sistemas como el de PSR B1257+12 bien puede ser una consecuencia de las condiciones extremas en las que se forman los púlsares», escriben los autores.
Los púlsares son estrellas de neutrones, y las estrellas de neutrones tienen orígenes calamitosos. Comienzan como estrellas masivas entre aproximadamente 10 y 25 masas solares. Al final de sus vidas de fusión regular, estas estrellas explotan como supernovas y luego colapsan en estrellas de neutrones ultradensas hechas de materia degenerada de neutrones. Es muy poco probable que algún planeta pueda sobrevivir a todo eso.
¿Podrían formarse planetas después de la supernova? Quizás. Los autores explican un escenario factible en el que se forma un planeta alrededor de un par binario de estrellas y luego es capturado por la estrella de neutrones después de una colisión entre las dos estrellas. El planeta también podría haber «… sobrevivido a la evolución posterior del sistema inicial hacia un sistema de estrellas de neutrones».

Impresión artística de una supernova. Crédito: NASA

“El sistema resultante consistiría en un púlsar normal con compañeros planetarios en órbitas excéntricas”, escriben, aunque este tipo de planetas serían muy raros. Requeriría un entorno muy ajustado para que los planetas sobrevivieran.
Un segundo escenario podría ser más probable. En este caso, la supernova expulsa una enorme cantidad de material cuando explota, lanzándolo al espacio a gran velocidad. Pero parte de la materia podría no escapar a la gravedad de la estrella de neutrones restante. En cambio, forma un disco protoplanetario y los planetas se forman por acreción. En este caso, «… se espera un púlsar normal, rodeado de planetas de masa relativamente pequeña en órbitas circulares», dicen los autores.
También es posible un tercer escenario. En este caso, un planeta es en realidad un remanente de una estrella de neutrones en un par binario de estrellas de neutrones. Una de las estrellas de neutrones interrumpe a la otra o hace que la otra se evapore parcialmente. El núcleo remanente ahora es un planeta, hecho casi en su totalidad de diamantes.
Esas son solo tres de las posibilidades de formación de planetas alrededor de los púlsares. Una de las motivaciones detrás de encontrar más planetas púlsares es reducir estas posibilidades a un marco mejor entendido. «En general, hay una gran cantidad de caminos de formación de planetas propuestos alrededor de púlsares y, por lo tanto, las búsquedas a gran escala de compañeros de masa planetaria y sus parámetros orbitales son cruciales para restringir y determinar la viabilidad de varios modelos», explican los autores.

A pesar de la precisión de la sincronización de los púlsares, todavía existen algunos problemas. Un tipo de ruido puede colarse en las mediciones. «… la detectabilidad de los planetas alrededor de los púlsares también está limitada por la presencia del llamado «ruido de sincronización» que se manifiesta como un proceso de ruido rojo a largo plazo en la rotación del púlsar. Esto presenta un desafío adicional en la búsqueda de compañeros planetarios, ya que no solo puede enmascarar firmas binarias sino también imitarlas», escriben los autores.
Antes de que el equipo pudiera obtener sus resultados, tenían que modelar el efecto que tiene un planeta en un púlsar. Una combinación pulsar/planeta se modela mejor como un par binario. “Cuando un púlsar forma parte de un sistema binario (ya sea con una estrella o un planeta), gira alrededor del centro de masas del sistema, moviéndose con respecto al observador en la Tierra”, explican. Ese movimiento crea un ligero retraso en la señal que llega a la Tierra. Ese retraso se llama retraso de Rømer.

El equipo de investigadores utilizó estos factores y muchos otros para desarrollar su método analítico. Hay límites necesarios en un trabajo como este, y el más importante involucra masas de exoplanetas. «Ponemos límites a las masas proyectadas de cualquier compañero planetario, que alcanzan tan solo 1/100 de la masa de la luna (alrededor de 10-4 masas de la Tierra)». Aunque ese es un límite, es un planeta extraordinariamente pequeño para poder detectarlo.
Los investigadores resumieron su enfoque general diciendo que «este enfoque es muy adecuado para una búsqueda sistemática de planetas alrededor de púlsares, para poner límites a la masa de cualquier cuerpo celeste en órbita y, por lo tanto, para inferir propiedades estadísticamente significativas de la población de estos planetas». .»
Entonces, ¿qué fue lo que encontraron?
«Descubrimos que es muy poco probable que dos tercios de nuestros púlsares alberguen compañeros de más de 2 ~ 8 masas terrestres», dice el equipo. «Nuestros resultados implican que menos del 0,5% de los púlsares podrían albergar planetas terrestres tan grandes como los que se sabe que orbitan PSR B1257+12 (alrededor de 4 masas terrestres)». PSR B1257+12 es el primer púlsar alrededor del cual se encontraron planetas en 1992. Sirve como una especie de punto de referencia para los sistemas de planetas púlsares.
Sin embargo, hay al menos una advertencia para estos resultados, y se refiere a los planetas de baja masa. «… sin embargo, el planeta más pequeño en este sistema (alrededor de 0,02 masas terrestres) sería indetectable en el 95% de nuestra muestra, oculto por procesos de ruido tanto instrumentales como intrínsecos…» El equipo también señala que no está claro si los planetas diminutos así podría existir aisladamente.
15 de los púlsares de la muestra mostraron algunas irregularidades, pero no eran necesariamente planetas. El equipo explica que la severa magnetosfera alrededor de los púlsares puede causar periodicidades irregulares. «Detectamos periodicidades significativas en 15 púlsares, sin embargo, encontramos que los efectos magnetosféricos casi periódicos intrínsecos pueden imitar la influencia de un planeta, y para la mayoría de estos casos, creemos que este es el origen de la periodicidad detectada».
En su análisis final, parece que los planetas pulsar son muy raros. Solo un solo púlsar en el 800 es un candidato probable para albergar planetas. «Creemos que el candidato más plausible para compañeros planetarios en nuestra muestra es PSR J2007+3120».

PSR J2007+3120 podría albergar un par de planetas. «Nuestro análisis inicial de PSR J2007+3120 reveló una oscilación consistente con un compañero planetario con un período orbital de 723 (8) días», escriben los autores. La evidencia del segundo planeta no es tan fuerte y podría ser solo ruido. «… no hay una fuerte preferencia entre un componente de ruido rojo y el segundo planeta», explican.
Al final, el equipo no encontró muchos planetas. Solo uno de los 800 púlsares muestra una fuerte evidencia de planetas, y la evidencia del segundo planeta alrededor de PSR J2007+3120 no es muy sólida. ¿Qué nos dice esto acerca de los púlsares y los planetas? Por un lado, muestra lo inusual que es el sistema PSR B1257+12, con tres planetas.
«Confirmamos que PSR B1257+12 debe tener un mecanismo de formación inusual, colocando un límite superior del 0,5% de púlsares que exhiben planetas similares». El equipo también dice que pueden descartar una población de planetas púlsares más masivos. «Descartamos una población de compañeros planetarios no detectados de más de 10 masas terrestres», escriben en la conclusión.
Pero no pueden descartar una población de planetas mucho más pequeños. Algunos de esos planetas podrían estar ocultos en el ruido. «El ruido de sincronización presente en la mayoría de los púlsares significa que no podemos descartar una población sustancial de planetas diminutos (< 0,1 masa terrestre), aunque no está claro si tales planetas existirían de forma aislada». Si estos planetas se formaron a partir de un disco de material alrededor de púlsares, entonces el mismo mecanismo también debería producir planetas más masivos.
«Por lo tanto, confirmamos la hipótesis de que la formación de planetas alrededor de púlsares es rara, y PSR B1257+12 es un caso especial», concluyen. Por ahora, sigue siendo el único púlsar que alberga planetas del tamaño de la Tierra.
A medida que la tecnología mejore, los astrónomos podrían tener formas más efectivas de encontrar planetas más pequeños alrededor de los púlsares y de eliminar el ruido en la señal. Este esfuerzo no será la última palabra sobre los planetas pulsar.
En cuanto a la habitabilidad, eso es extremadamente improbable. La región alrededor de los púlsares es extremadamente dura. Los poderosos campos magnéticos podrían causar estragos en cualquier planeta cercano. Y los púlsares son estrellas de neutrones, por lo que no se está produciendo ninguna fusión. Son poco más que cenizas, aunque aún pueden estar extremadamente calientes. Algunos de los planetas que están alrededor de los púlsares no son más que los restos destruidos del compañero estelar de un púlsar y pueden estar hechos de diamante puro. Otros son objetos capturados.
Pero este estudio nunca fue sobre la habitabilidad. Está destinado a sondear algunos de los objetos más inusuales del Universo. ¿Podrían estas estrellas de estado final extremadamente densas hechas de materia de neutrones degenerados, estrellas que giran rápidamente y generan campos magnéticos extremos, albergar planetas?
No muy seguido.

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