Esta impresión artística muestra la vista del planeta del sistema TOI-178 que orbita más lejos de la estrella. Nuevas investigaciones realizadas por Adrien Leleu y sus colegas con varios telescopios, incluido el Very Large Telescope de ESO, han revelado que este sistema en resonancia cuenta con seis exoplanetas y que todos, excepto el más cercano a la estrella, se mueven en sus órbitas siguiendo un ritmo muy particular.
© ESO/L. Calçada/spaceengine.org
¿Se explica esto por un sesgo observacional o por la existencia física de dos poblaciones distintas de sub-Neptunos? Recientes trabajos del PRN PlanetS, de la Universidad de Ginebra (UNIGE) y de la Universidad de Berna (UNIBE) apoyan la segunda hipótesis. Los resultados se pueden encontrar en la revista Astronomy & Astrophysics.
Las exoplanetas son abundantes en nuestra Galaxia. Las más comunes son aquellas cuyo tamaño se sitúa entre el radio de la Tierra (aproximadamente 6400 km) y el de Neptuno (aproximadamente 25,000 km), denominadas "sub-Neptunos". Se estima que entre el 30% y el 50% de las estrellas similares al Sol albergan al menos una de ellas.
El cálculo de la densidad de estos planetas plantea un problema para los científicos. Para estimarla, primero hay que medir su masa y su radio. Problema: los planetas cuya masa es medida por el método de TTV (Transit-Timing Variation) son menos densos que los planetas cuya masa ha sido medida por el método de velocidades radiales, el otro método de medición posible.
"El método de TTV consiste en medir variaciones en el cronometraje del tránsito. Las interacciones gravitacionales entre los planetas de un mismo sistema modificarán ligeramente el momento en que los planetas pasan frente a su estrella", explica Jean-Baptiste Delisle, colaborador científico del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y coautor del estudio. "El método de las velocidades radiales, por su parte, consiste en medir las variaciones de velocidad de la estrella inducidas por la presencia del planeta a su alrededor".
Excluir todo sesgo
Un equipo internacional de astrónomos liderado por científicos del PRN PlanetS, la UNIGE y la UNIBE publica un estudio explicando este fenómeno. No se debería a sesgos de selección o de observación, sino a razones físicas. "La mayoría de los sistemas medidos por el método de TTV están en resonancia", explica Adrien Leleu, profesor asistente del 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 completa dos órbitas alrededor de su estrella, otro planeta completa exactamente una. Si varios planetas están en resonancia, se habla entonces de una cadena de resonancias de Laplace. "Nos preguntamos entonces si había una conexión intrínseca entre la densidad y la configuración orbital en resonancia de un sistema planetario", continúa el investigador.
Para establecer el vínculo entre densidad y resonancia, los astrónomos primero tuvieron que excluir cualquier sesgo en los datos seleccionando rigurosamente los sistemas planetarios para su análisis estadístico. Por ejemplo, un gran planeta poco masivo 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 lo tanto, antes de que su masa sea estimada.
"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 las velocidades radiales. Al no tener medidas de sus masas, los menos densos serían efectivamente excluidos de nuestros análisis", explica Adrien Leleu.
Una vez realizada esta limpieza, los astrónomos pudieron determinar, utilizando pruebas estadísticas, que la densidad de los sub-Neptunos es menor en los sistemas resonantes que en sus homólogos en sistemas no resonantes, independientemente del método de determinación de su masa.
Una cuestión de "resonancia"
Los científicos mencionan varias vías para explicar este vínculo, entre ellas los procesos de formación de los sistemas planetarios. La hipótesis privilegiada por el estudio afirma que todos los sistemas planetarios convergen hacia un estado de cadena de resonancia en los primeros momentos de su existencia, pero solo el 5% permanece estable. Los otros 95% se vuelven inestables. La cadena de resonancia se rompe, provocando una serie de "catástrofes", como colisiones entre planetas. Los planetas se fusionan entre sí, aumentando así su densidad antes de estabilizarse en órbitas no resonantes.
Este proceso genera así dos poblaciones claramente distintas de sub-Neptunos, los densos y los menos densos. "Los modelos numéricos de formación y evolución de sistemas planetarios que hemos desarrollado en Berna durante las dos últimas 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 gigantescas, similares o incluso más violentas que la que dio origen a nuestra Luna", concluye Yann Alibert, profesor en la División de Investigación Espacial y Ciencias Planetarias (WP) y codirector del Centro para el Espacio y la Habitabilidad de la UNIBE, coautor del estudio.