Explicación a la brecha en el reparto de tamaño de las súper Tierras

Sus simulaciones por computadora demuestran que la migración de los llamados subneptunos helados hacia las regiones internas de sus sistemas planetarios podría explicar este fenómeno. A medida que se acercan a la estrella central, el hielo de agua 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 central. Sin embargo, muchos indicios sugieren que algunos planetas podrían abandonar sus lugares de nacimiento durante su evolución temprana migrando hacia adentro o hacia afuera.

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 más grandes que la Tierra, conocido como valle o brecha del radio. Por el contrario, hay muchos exoplanetas más pequeños y más grandes que este tamaño.

"Hace seis años, un nuevo análisis de los datos del telescopio espacial Kepler reveló una escasez de exoplanetas con tamaños de alrededor de dos radios terrestres", explica en un comunicado Remo Burn, investigador de exoplanetas en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg. Es el autor principal del artículo que informa los hallazgos descritos en este artículo, ahora publicado en Nature Astronomy.

"De hecho, nosotros, al igual que otros grupos de investigación, predijimos, basándose en nuestros cálculos, incluso antes de esta observación, que tal brecha debía existir", explica el coautor Christoph Mordasini, miembro del Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) PlanetS. Dirige la División de Investigación Espacial y Ciencias Planetarias de la Universidad de Berna. Esta predicción surgió durante su mandato como científico en el MPIA, que lleva muchos años investigando este campo junto con la Universidad de Berna.

El mecanismo sugerido más comúnmente para explicar la aparición de tal valle radial es que los planetas podrían perder una 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 ignora la influencia de la migración planetaria", aclara Burn. Desde hace unos 40 años se ha establecido que, bajo determinadas condiciones, los planetas pueden moverse hacia dentro y hacia fuera a través de sistemas planetarios a lo largo del tiempo. La eficacia de esta migración y en qué medida influye en el desarrollo de los sistemas planetarios influye en su contribución a la formación del valle radial.

Dos tipos diferentes de exoplanetas habitan el rango de tamaño que rodea la brecha. Por un lado, están los planetas rocosos, que pueden ser más masivos que la Tierra y por eso se les llama súper Tierras. Por otro lado, los astrónomos descubren cada vez más los llamados subneptunos (también minineptunos) en sistemas planetarios distantes, que en promedio son ligeramente más grandes que las súper Tierras.

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

Aun así, los astrónomos coinciden en general en que estos planetas poseen atmósferas significativamente más extensas que los planetas rocosos. En consecuencia, ha sido incierto comprender cómo las características de estos subneptunos contribuyen a la brecha de radio. ¿Podría la brecha sugerir siquiera que estos dos tipos de mundos se forman de manera diferente?

"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 significativamente al valle del radio observado", concluye Julia Venturini de la Universidad de Ginebra. 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 de calentamiento 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 a 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.

"La investigación teórica del grupo de Berna-Heidelberg ya ha permitido avanzar significativamente en el pasado nuestra comprensión de la formación y composición de los sistemas planetarios", explica el director del MPIA, Thomas Henning. "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.

"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 sólo han adquirido calidad suficiente en los últimos años. Es este componente el que permite un cálculo realista del comportamiento de los subneptunos, explicando así la manifestación 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, como 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", dice Mordasini. "Estos planetas podrían potencialmente albergar vida y serían objetivos relativamente sencillos para la búsqueda de biomarcadores gracias a su tamaño".
Ep/via dpa
Foto Crédito: THOMAS MÜLLER (MPIA) / Europa Press