Finalmente descifrada la diferencia de densidad de los subneptunos

Un equipo internacional liderado por UNIGE, UNIBE y PlanetS ha demostrado la existencia de dos poblaciones distintas de subneptunos, resolviendo un debate en la comunidad científica.

La mayoría de las estrellas de nuestra galaxia albergan planetas. Los más abundantes son los subneptunos, planetas de tamaño comprendido entre la Tierra y Neptuno. Calcular su densidad plantea un problema para los científicos: según el método utilizado para medir su masa, se distinguen dos poblaciones, la densa y la menos densa.

¿Se debe esto a un sesgo de observación o a la existencia física de dos poblaciones distintas de subneptunos? Un trabajo reciente del NCCR PlanetS, la Universidad de Ginebra (UNIGE) y la Universidad de Berna (UNIBE) aboga por lo segundo. El estudio se publica en Astronomy & Astrophysics.

Los exoplanetas abundan en nuestra galaxia. Los más comunes son los comprendidos entre el radio de la Tierra (unos 6.400 km) y Neptuno (unos 25.000 km), conocidos como «subneptunos». Se estima que entre el 30% y el 50% de las estrellas similares al Sol contienen al menos uno de ellos.

Calcular la densidad de estos planetas es un desafío científico. Para estimar su densidad, primero debemos medir su masa y radio. El problema es que los planetas cuya masa se mide mediante el método TTV (Transit-Timing Variation) son menos densos que los planetas cuya masa se mide mediante el método de la velocidad radial, el otro método de medición posible.

«El método TTV implica medir las variaciones en el tiempo de tránsito. Las interacciones gravitacionales entre planetas de un mismo sistema modificarán ligeramente el momento en que los planetas pasan delante de su estrella», explica Jean-Baptiste Delisle, colaborador científico del Departamento de Astronomía del Facultad de Ciencias de UNIGE y coautor del estudio.

«El método de la velocidad radial, en cambio, implica medir las variaciones en la velocidad de la estrella inducidas por la presencia del planeta a su alrededor».

Eliminando cualquier sesgo

Un equipo internacional dirigido por científicos de NCCR PlanetS, UNIGE y UNIBE ha publicado un estudio que explica este fenómeno. No se debe a sesgos de selección o de observación, sino a razones físicas.

«La mayoría de los sistemas medidos con el método TTV están en resonancia», explica Adrien Leleu, profesor asistente en el departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y autor principal del estudio.

Dos planetas están en resonancia cuando la relación entre sus períodos orbitales es un número racional. Por ejemplo, cuando un planeta realiza dos órbitas alrededor de su estrella, otro planeta realiza exactamente una. Si varios planetas están en resonancia, se forma una cadena de resonancias de Laplace.

«Por eso nos preguntamos si existía una relación intrínseca entre la densidad y la configuración orbital resonante de un sistema planetario», continúa el investigador.

Para establecer el vínculo entre densidad y resonancia, los astrónomos primero tuvieron que descartar cualquier sesgo en los datos seleccionando rigurosamente sistemas planetarios para el análisis estadístico. Por ejemplo, un planeta grande y de baja masa detectado en tránsito requiere más tiempo para ser detectado en velocidades radiales.

Esto aumenta el riesgo de que las observaciones se interrumpan antes de que el planeta sea visible en los datos de velocidad radial y, por tanto, antes de que se estime su masa.

«Este proceso de selección llevaría a un sesgo en la literatura a favor de masas y densidades más altas para los planetas caracterizados con el método de velocidad radial. Como no tenemos medidas de sus masas, los planetas menos densos serían excluidos de nuestros análisis», explica Leleu.

Una vez realizada esta limpieza de datos, los astrónomos pudieron determinar, mediante pruebas estadísticas, que la densidad de los subneptunos es menor en sistemas resonantes que sus homólogos en sistemas no resonantes, independientemente del método utilizado para determinar su masa. .

Una cuestión de resonancia

Los científicos sugieren varias explicaciones posibles para este vínculo, incluidos los procesos involucrados en la formación de sistemas planetarios. La principal hipótesis del estudio es que todos los sistemas planetarios convergen hacia un estado de cadena de resonancia en los primeros momentos de su existencia, pero sólo el 5% permanece estable.

El otro 95% se vuelve inestable. La cadena de resonancia se rompe entonces, generando una serie de «catástrofes», como colisiones entre planetas. Los planetas se fusionan, aumentando su densidad y luego estabilizándose en órbitas no resonantes.

Este proceso genera dos poblaciones muy distintas de subneptunos: densa y menos densa. «Los modelos numéricos de formación y evolución de sistemas planetarios que hemos desarrollado en Berna durante las últimas dos décadas reproducen exactamente esta tendencia: los planetas en resonancia son menos densos.

«Este estudio, además, confirma que la mayoría de los sistemas planetarios han sido escenario de colisiones gigantes, similares o incluso más violentas que la que dio origen a nuestra Luna», concluye Yann Alibert, profesor de la División de Investigación Espacial y Ciencias Planetarias (WP) de la UNIBE. ) y codirector del Centro para el Espacio y la Habitabilidad y coautor del estudio.

Con información de Astronomy & Astrophysics (2024)