Los planetas hinchados pueden perder su atmósfera y convertirse en súper-Tierras

Si nuestro sistema solar fuera el kit de un aficionado, vendría con cuatro planetas telúricos rocosos, como la Tierra; y cuatro planetas gigantes gaseosos como Júpiter.

Lo que los astrónomos han descubierto alrededor de otras estrellas es un tipo raro de planeta que no se encuentra en nuestro sistema solar. No es ni demasiado grande ni demasiado pequeño, sino que se encuentra entre el radio de la Tierra y el radio de Neptuno. Hacia la parte inferior de este rango hay densas “súper-Tierras” (no, no es el hogar del héroe del cómic, Superman) que son un poco más grandes que la Tierra. Hacia la parte superior del rango están los llamados “mini-Neptunos”, que tienen una fracción del radio del planeta Neptuno.

Los astrónomos están armando una imagen compleja de cómo llegaron a ser este tipo de planetas de “eslabón perdido”. Aparentemente, los mini-Neptunos comienzan como versiones más pequeñas y densas del planeta Neptuno. Pero la radiación de la estrella anfitriona de un planeta calienta su atmósfera de hidrógeno/helio que luego escapa al espacio como un globo aerostático. El planeta está en una especie de dieta catastrófica, perdiendo mucha masa hasta que todo lo que queda es un núcleo denso y rocoso que es incluso más grande que la Tierra y puede retener una fina capa de atmósfera.

Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio Keck han identificado dos casos diferentes de planetas “mini-Neptuno” que pierden sus atmósferas hinchadas y posiblemente se transforman en súper-Tierras. Es una prueba más de la diversidad, si no de la imprevisibilidad, de cómo se forman y evolucionan los planetas alrededor de otras estrellas.

Los exoplanetas tienen formas y tamaños que no se encuentran en nuestro sistema solar. Estos incluyen pequeños planetas gaseosos llamados mini-Neptunos y planetas rocosos varias veces la masa de la Tierra llamados súper-Tierras.

Ahora, los astrónomos han identificado dos casos diferentes de planetas “mini-Neptuno” que pierden sus atmósferas hinchadas y probablemente se convierten en súper-Tierras. La radiación de las estrellas de los planetas despoja sus atmósferas, provocando que el gas caliente se escape como el vapor de una olla de agua hirviendo. Los nuevos hallazgos ayudan a pintar una imagen de cómo se forman y evolucionan mundos alienígenas como estos, y ayudan a explicar una curiosa discrepancia en la distribución del tamaño de los planetas que se encuentran alrededor de otras estrellas.

Los mini-neptunos son versiones más pequeñas y densas del planeta Neptuno en nuestro sistema solar, y se cree que consisten en grandes núcleos rocosos rodeados por gruesas capas de gas. En los nuevos estudios, un equipo de astrónomos utilizó el Telescopio Espacial Hubble de la NASA para observar dos mini-Neptunos que orbitan HD 63433, una estrella a 73 años luz de distancia. Y utilizaron el Observatorio WM Keck en Hawái para estudiar uno de los dos planetas mini-Neptuno del sistema estelar llamado TOI 560, ubicado a 103 años luz de distancia.

Sus resultados muestran que el gas atmosférico escapa del mini-Neptuno más interno en TOI 560, llamado TOI 560.01 (también conocido como HD 73583b), y del mini-Neptuno más externo en HD 63433, llamado HD 63433c. Esto sugiere que podrían transformarse en súper-Tierras.

“La mayoría de los astrónomos sospechaban que los mini-Neptunos jóvenes debían tener atmósferas que se evaporaban”, dijo Michael Zhang, autor principal de ambos estudios y estudiante graduado en Caltech. “Pero nadie había atrapado a uno haciéndolo hasta ahora”.

El estudio también encontró, sorprendentemente, que el gas alrededor de TOI 560.01 escapaba principalmente hacia la estrella.

“Esto fue inesperado, porque la mayoría de los modelos predicen que el gas debería alejarse de la estrella”, dijo la profesora de ciencias planetarias Heather Knutson de Caltech, asesora de Zhang y coautora del estudio. “Todavía tenemos mucho que aprender sobre cómo funcionan estos resultados en la práctica”.

Nuevas pistas sobre el eslabón perdido en los tipos planetarios

Desde el descubrimiento de los primeros exoplanetas que orbitaban estrellas similares al Sol a mediados de la década de 1990, se han descubierto miles de otros exoplanetas. Muchos de ellos orbitan cerca de sus estrellas, y los más pequeños y rocosos generalmente se dividen en dos grupos: mini-Neptunos y súper-Tierras. Las súper-Tierras son tan grandes como 1,6 veces el tamaño de la Tierra (ya veces tan grandes como 1,75 veces el tamaño de la Tierra), mientras que los mini-Neptunos tienen entre 2 y 4 veces el tamaño de la Tierra. Los planetas de este tipo no se encuentran en nuestro sistema solar. De hecho, se han detectado pocos planetas de tamaños entre estos dos rangos alrededor de otras estrellas.

Una posible explicación de esta discrepancia de tamaño es que los mini-Neptunos se transforman en súper-Tierras. Se teoriza que los mini-neptunos están protegidos por atmósferas primordiales hechas de hidrógeno y helio. El hidrógeno y el helio son restos de la formación de la estrella central, que surgió de las nubes de gas. Si un mini-Neptuno es lo suficientemente pequeño y está lo suficientemente cerca de su estrella, los rayos X estelares y la radiación ultravioleta pueden destruir su atmósfera primordial durante un período de cientos de millones de años, teorizan los científicos. Esto dejaría atrás una súper Tierra rocosa con un diámetro notablemente más pequeño (que, en teoría, aún podría retener una atmósfera relativamente delgada similar a la que rodea a nuestro planeta Tierra).

“Un planeta en la brecha de tamaño tendría suficiente atmósfera para inflar su radio, lo que provocaría que interceptara más radiación estelar y, por lo tanto, permitiría una rápida pérdida de masa”, dijo Zhang. “Pero la atmósfera es lo suficientemente delgada como para perderse rápidamente. Es por eso que un planeta no permanecería en la brecha por mucho tiempo”.

Otros escenarios podrían explicar la discrepancia de tamaño, dicen los astrónomos. Por ejemplo, es posible que los pequeños planetas rocosos nunca hayan acumulado envolturas de gas, y los mini-Neptunos podrían ser mundos acuosos y no estar envueltos en gas de hidrógeno. Este último descubrimiento de dos mini-Neptunos con atmósferas que se escapan representa la primera evidencia directa que apoya la teoría de que los mini-Neptunos sí se transforman en súper-Tierras.

Firmas al sol

Los astrónomos han podido detectar escapes de atmósferas al observar mini-Neptunos cruzar o transitar frente a sus estrellas anfitrionas. Los planetas no se pueden ver directamente, pero cuando pasan frente a sus estrellas vistos desde nuestro punto de vista en la Tierra, los telescopios pueden buscar la absorción de la luz de las estrellas por los átomos en las atmósferas de los planetas. En el caso del mini-Neptune TOI 560.01, los investigadores encontraron firmas de helio. Para el sistema estelar HD 63433, el equipo encontró firmas de hidrógeno en el planeta más externo que estudiaron, llamado HD 63433c, pero no en el planeta interior, HD 63433b.

“Es posible que el planeta interior ya haya perdido su atmósfera”, explicó Zhang.

“La velocidad del gas proporciona evidencia de que las atmósferas se están escapando. El helio observado alrededor de TOI 560.01 se mueve a una velocidad de 20 kilómetros por segundo, mientras que el hidrógeno alrededor de HD 63433c se mueve a una velocidad de 50 kilómetros por segundo. La gravedad de estos mini-Neptunos no es lo suficientemente fuerte para contener un gas tan rápido. La extensión de los flujos de salida alrededor de los planetas también indica escapes de atmósferas; el capullo de gas alrededor de TOI 560.01 es al menos 3,5 veces más grande que el radio del planeta, y el capullo de gas alrededor de HD 63433c es al menos 12 veces más grande que el radio del planeta.

Las observaciones también revelaron que el gas residual de TOI 560.01 fluía hacia la estrella. Las observaciones futuras de otros mini-Neptunes deberían revelar si TOI 560.01 es una anomalía o si una corriente atmosférica que se mueve hacia adentro es más común.

“Como científicos de exoplanetas, hemos aprendido a esperar lo inesperado”, dijo Knutson. “Estos mundos alienígenas nos sorprenden constantemente con nueva física que va más allá de lo que observamos en nuestro sistema solar”.

Los resultados se publican en dos artículos separados en The Astronomical Journal.

Escapando de helio de TOI 560.01, un joven Mini-NeptuneReseña astronómica (acceso gratuito)

Detección de pérdida de masa continua de HD 63433c, un joven Mini-NeptuneReseña astronómica (acceso gratuito)

Astrobiología