El misterio de los sub-Neptunos finalmente resuelto

La mayoría de las estrellas de nuestra galaxia albergan planetas. Los más abundantes son los sub-Neptunos, planetas entre el tamaño de la Tierra y Neptuno. Calcular su densidad plantea un problema para los científicos: dependiendo del método utilizado para medir su masa, se resaltan dos poblaciones, la densa y la menos densa. ¿Se debe esto a un sesgo observacional o a la existencia física de dos poblaciones distintas de sub-Neptunos? Un trabajo reciente del NCCR PlanetS, la Universidad de Ginebra (UNIGE) y la Universidad de Berna (UNIBE) argumenta a favor de esta última. Obtén más información en la revista Astronomy & Astrophysics.

Los exoplanetas son abundantes en nuestra galaxia. Los más comunes son aquellos entre el radio de la Tierra (alrededor de 6.400 km) y Neptuno (alrededor de 25.000 km), conocidos como “sub-Neptunos”. Se estima que del 30% al 50% de las estrellas similares al Sol contienen al menos uno de estos.

Calcular la densidad de estos planetas es un desafío científico. Para estimar su densidad, primero debemos medir su masa y radio. Problema: los planetas cuya masa se mide mediante el método TTV (Variación del Tiempo de Tránsito) son menos densos que los planetas cuya masa se ha medido mediante el método de velocidad radial, el otro método de medición posible.

“El método TTV implica medir las variaciones en el tiempo de tránsito. Las interacciones gravitatorias entre los planetas del 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 velocidad radial, por otro lado, 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 del NCCR PlanetS, UNIGE y UNIBE ha publicado un estudio que explica este fenómeno. No se debe a la selección o los sesgos de observación, sino a razones físicas. “La mayoría de los sistemas medidos por el método 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 razón entre sus períodos orbitales es un número racional. Por ejemplo, cuando un planeta da dos vueltas alrededor de su estrella, otro planeta da exactamente una. Si varios planetas están en resonancia, forma una cadena de resonancias de Laplace. “Por lo tanto, nos preguntamos si existía una conexión intrínseca entre la densidad y la configuración orbital resonante de un sistema planetario”, continúa el investigador.

Para establecer el vínculo entre la densidad y la resonancia, los astrónomos primero tuvieron que descartar cualquier sesgo en los datos seleccionando rigurosamente los sistemas planetarios para el análisis estadístico. Por ejemplo, un planeta grande y de baja masa detectado en tránsito necesita 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 se estime su masa.

“Este proceso de selección conduciría a un sesgo en la literatura a favor de masas y densidades más altas para planetas caracterizados con el método de velocidad radial. Como no tenemos ninguna medida de sus masas, los planetas menos densos quedarían excluidos de nuestros análisis”, explica Adrien Leleu.

Una vez que se llevó a cabo esta limpieza de datos, los astrónomos pudieron determinar, utilizando pruebas estadísticas, que la densidad de los sub-Neptunos es menor en los sistemas resonantes que sus contrapartes en los 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 los 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 solo el 5% permanece estable. El otro 95% se vuelve inestable. La cadena de resonancia luego se descompone, generando una serie de “catástrofes”, como colisiones entre planetas. Los planetas se fusionan y aumentan su densidad, luego se estabilizan en órbitas no resonantes.

Este proceso genera dos poblaciones muy distintas de sub-Neptunos: densos y menos densos. “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 el sitio 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.