Las estrellas gigantes rojas no pueden destruir a todos los gigantes gaseosos

Las estrellas envejecidas pueden destruir completamente sus planetas. Cuando una estrella llega al final de su vida en la secuencia principal, experimenta cambios drásticos. Y estos cambios no solo determinan su destino, sino que también pueden determinar el destino de los planetas que orbitan estas estrellas. Se enfrentan a un futuro sombrío a medida que la fuerza de marea de la estrella las desgarra y el intenso calor las vaporiza.

Esto ocurre porque las estrellas de la secuencia principal acaban agotando su hidrógeno y expulsan sus capas externas. La pérdida de toda esta masa debilita la atracción gravitatoria de la estrella sobre sí misma. Se hincha y puede consumir o destruir planetas cercanos. Esto es lo que el Sol acabará haciendo, aunque aún no en miles de millones de años.

Pero dependiendo de la estrella y la arquitectura de su sistema solar, algunos planetas pueden sobrevivir a la expansión destructiva de su anfitrión. Cuando nuestro Sol se acerque a su fin y se convierta en una gigante roja, engullirá a los planetas interiores, quizás también a la Tierra. El destino de Marte es incierto. Los gigantes gaseosos tienen las mejores probabilidades de supervivencia.

En 2011, astrónomos descubrieron un exoplaneta con unas ocho masas de Júpiter orbitando una enana blanca. Su órbita es extremadamente amplia y estaba separado de la estrella por unas 2500 ua cuando fue observado. A esta distancia, la estrella no podría tocarlo.

En 2020, astrónomos descubrieron un gigante gaseoso del tamaño de Júpiter alrededor de una enana blanca. Su órbita es estrecha y los investigadores creen que migró hacia el interior después de que la estrella se convirtiera en enana blanca. Nunca habría sobrevivido a la fase de gigante roja de la estrella si hubiera estado tan cerca en ese momento.

Este par de exoplanetas representa las dos vías que pueden seguir los planetas con masas de Júpiter para sobrevivir alrededor de una enana blanca. O bien están tan lejos que prácticamente no se ven afectados, o bien están lo suficientemente lejos como para sobrevivir y luego migrar hacia el interior.

Pero ¿cuántos de estos gigantes gaseosos hay orbitando enanas blancas? ¿Por qué los astrónomos observan tan pocos? ¿Son realmente raros o existe un sesgo de detección?

Una nueva investigación, que se publicará en Astronomy and Astrophysics, examina la población de gigantes gaseosos que orbitan enanas blancas. Se titula «Incidencia prevista de planetas similares a Júpiter alrededor de enanas blancas» y el autor principal es Alex Mauch-Soriano. Mauch-Soriano trabaja en el Departamento de Física de la Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile. El artículo está disponible actualmente en el servidor de preimpresiones de arXiv.

«Solo se conocen unos pocos planetas gigantes gaseosos que orbitan enanas blancas», escriben los autores. «Aún no está claro si esta escasez refleja dificultades observacionales o las consecuencias de la evolución estelar». Para averiguarlo, los investigadores sintetizaron una población de enanas blancas y sus compañeras subestelares. Utilizaron códigos de evolución estelar basados ​​en factores como la pérdida de masa y las mareas estelares para predecir el aspecto de la población.

«Encontramos que la fracción predicha de enanas blancas que albergan compañeras subestelares en la Vía Láctea es, independientemente de las incertidumbres relacionadas con las distribuciones iniciales, las mareas estelares o la pérdida de masa estelar durante la rama gigante asintótica, inferior al ~3%», escriben los investigadores.

Estos pocos supervivientes resistentes comparten algunas características en cuanto a la masa de la enana blanca, la edad del sistema, la separación orbital y el tipo de compañera, ya sea gigante gaseoso o enana marrón.

Más exoplanetas similares a Júpiter sobreviven cuando sus enanas blancas tienen masas menores, lo que significa que las estrellas progenitoras también tenían masas menores. La supervivencia alcanza su punto máximo cuando la enana blanca tiene entre 0,53 y 0,66 masas solares. Como regla general, la Relación de Masa Inicial-Final (IFMR) indica que la masa inicial de la estrella progenitora debía estar entre una y tres masas solares.

Los sistemas estelares más jóvenes también tienen más supervivientes planetarios. En sistemas de entre 1000 y 6000 millones de años, la tasa de aparición de gigantes gaseosos supera el 3 %.

No es sorprendente que la separación orbital tuviera un efecto significativo en los resultados. Los planetas compañeros supervivientes orbitan entre 3 y 24 ua.

Los planetas supervivientes de la población sintetizada fueron, en su gran mayoría, gigantes gaseosos, en lugar de enanas marrones. Alrededor del 95 % son gigantes gaseosos.

Los investigadores explican que la metalicidad de la estrella progenitora tiene un efecto importante en los planetas supervivientes, ya que los progenitores con mayor metalicidad simplemente forman más planetas. «Debido a la fuerte dependencia de la presencia de estrellas acompañantes con la metalicidad de la enana blanca progenitora, la relación edad-metalicidad asumida afecta considerablemente las predicciones», explican los investigadores. «Basándonos en estimaciones recientes de la relación edad-metalicidad local, estimamos que la fracción de enanas blancas con estrellas acompañantes cercanas al Sol podría alcanzar aproximadamente el 8%».

Los investigadores utilizaron dos regímenes de mareas diferentes, habituales en astronomía. Uno implica mareas débiles y el otro, mareas más fuertes. Esto, obviamente, influye en los resultados, ya que las mareas pueden desmembrar gigantes gaseosos. «Hasta cierto punto, las propiedades de la población de estrellas acompañantes supervivientes se ven condicionadas por la prescripción de mareas adoptada», escriben.

«La fracción de compañeros que sobreviven a la evolución estelar de su estrella anfitriona es aproximadamente el doble cuando se adopta la prescripción de mareas débiles de Villaver y Livio (2009) en comparación con las mareas estelares fuertes sugeridas por Rasio et al. (1996)», explican los autores. «Las mareas más fuertes generalmente requieren que los compañeros se ubiquen inicialmente en semiejes mayores algo mayores y que orbiten estrellas menos masivas para sobrevivir».

Sintetizar una población con base en todo lo que sabemos sobre ella es una cosa. Pero observar estos planetas es una tarea completamente distinta, y confirmar este porcentaje resulta abrumador. «El potencial para detectar directamente los compañeros previstos mediante imágenes dependerá de la edad de la enana blanca, la edad total del sistema y la separación orbital, lo que se traduce en el contraste y la resolución angular requeridos para el centro de observación elegido», explican los investigadores.

Los resultados sugieren que nuestras escasas detecciones de compañeros subestelares de enanas blancas no se deben simplemente a dificultades observacionales. En cambio, el bajo número de detecciones refleja la verdadera baja tasa de supervivencia de los planetas en esta precaria posición.

Con información de arXiv