Ciencia

¿Y si los planetas gigantes madurasen más rápido de lo que pensamos?

Si nos atenemos a la teoría de formación y evolución planetaria, los planetas gigantes comienzan siendo bolas de gas muy extendidas; grandes y ligeros. Poco a poco se contraen a lo largo de cientos de millones de años, o incluso más de mil, hasta acabar alcanzando una configuración similar a la de los planetas que podemos encontrar en nuestro sistema solar, como Júpiter o Saturno. Esto es lo que dice el marco teórico actual, pero ¿estamos seguros de que es así?

El estudio de planetas jóvenes ha sido tradicionalmente algo muy complicado. Los intensos niveles de actividad de sus estrellas (también jóvenes) normalmente han evitado que se puedan siquiera detectar. En los últimos años ha sido posible observar los primeros estadios de la formación, gracias a medidas de interferometría con ALMA. También, gracias a las observaciones de los satélites Kepler y TESS ha sido posible detectar la presencia de planetas y sistemas planetarios a edades muy tempranas y de medir algunas de sus características.

Imagen del disco protoplanetario alrededor de la estrella HL Tauri (ALMA)

Uno de estos sistemas fue el de V1298 Tau, descubierto en 2019 por un equipo liderado por Trevor David (JPL). La estrella fue observada por el satélite Kepler, en su misión K2. En estos datos fue posible detectar la presencia de 4 planetas por medio de sus tránsitos. Dos planetas de radio similar a Neptuno, con periodos orbitales de 8 y 12 días, otro de radio similar a Júpiter, con un periodo orbital de 24 días y un cuarto de radio similar a Saturno que fue detectado con un solo tránsito y cuyo periodo se estimó entre 40 y 120 días.

K2 data of the system V1298 Tau (David, T. et al. 2019)

Este sistema nos daba una oportunidad de poner a prueba los modelos de evolución planetaria. Los tamaños de estos planetas parecían ya similares a los tamaños de los planetas del sistema solar, y a los de la mayoría de exoplanetas conocidos. A primera vista no parecía haber evidencia de que estuviesen más extendidos de lo normal. Aun así, existía la posibilidad de que fuesen planetas muy ligeros que, con el paso del tiempo, acabasen contrayéndose hasta acabar en tamaños muy pequeños. Faltaba una pieza del puzle: sus masas.

Durante el invierno de 2019 a 2020 obtuvimos unas 250 medidas de velocidad radial utilizando los espectrógrafos HARPS-N, CARMENES, SES y HERMES. El objetivo fue el de medir las pequeñas variaciones en la velocidad de la estrella causadas por la interacción gravitatoria con los planetas. Tras un extenso y complejo análisis, pudimos separar la contribución planetaria de la contribución intrínseca de la estrella. Detectamos dos señales. Una señal que se corresponde con el planeta b, de periodo 24 días, de unos 40 metros por segundo. Otra señal compatible con las características del planeta e, de periodo 40 días y unos 60 metros por segundo. En el caso de esta señal, la fotometría de Kepler no ofrecía un periodo orbital específico, con lo que existe el riesgo de que su origen sea diferente del que pensamos.

Datos de velocidad radial de HARPS-N y CARMENES en fase con los periodos de los planetas b y e (Suárez Mascareño et al. 2021).

Estas señales se corresponden con masas del 0.64 y 1.16 masas de Júpiter, respectivamente, para los planetas b y e. Para los planetas interiores, c y d, pudimos medir limites superiores. Estos planetas tienen masas menores que 0.24 y 0.31 masas de Júpiter, respectivamente. Teniendo en cuenta estas masas, lo primero que vimos es que los planetas b y e se parecían mucho a Júpiter y Saturno, y a la población conocida de planetas viejos. Es más, un nuevo trabajo en proceso de publicación (Feinstein et al. Submitted), que utiliza los datos recién publicados de TESS, muestra que V1298 Tau e podría ser un poco mayor de lo que se pensaba. Si esto fuese correcto, sería aun más parecido a Júpiter de lo que pensábamos.

Distribución de planetas conocidos con medidas de masa y radio. Se muestran en verde las posiciones de los planetas de V1298 Tau y las posiciones de Júpiter y Saturno como referencia.

Si todo esto es correcto, parece claro que los planetas del sistema V1298 Tau no tienen una relación masa-radio diferente de los planetas del sistema solar, o de la mayoría de planetas viejos conocidos. No parece esperable tampoco que vayan a contraerse mucho más, pues esto los llevaría a una región vacía del espacio de parámetros (esquina inferior derecha en la figura superior). Con tan solo 20 millones de años, estos planetas parecen haber acabado su proceso de contracción, o al menos la mayor parte de él.

Como cuenta Victor J. Sánchez Bejar, coautor del trabajo “Durante muchos años los modelos teóricos nos han dictado que los planetas gigantes comienzan su evolución siendo cuerpos con un tamaño mayor, para más tarde contraerse a lo largo de cientos o incluso miles de millones de años. Ahora sabemos que en realidad pueden alcanzar un tamaño similar al de los planetas del Sistema Solar en muy poco tiempo».

Comparación entre la velocidad esperada del proceso de contracción (debajo) y la que hemos observado (Gabriel Pérez Díaz, SMM, IAC)

Este estudio nos da pistas de lo que puede haber ocurrido en la infancia de nuestro sistema solar. Todavía no sabemos todavía si se trata un caso anómalo o si esta es la normalidad de todos los sistemas planetarios. En palabras de Nicolas Lodieu, también coautor del trabajo, “Si este fuese el escenario normal, significaría que la evolución de planetas como Júpiter y Saturno podría haber sido muy diferente de la que pensamos”

El artículo ha sido publicado en Nature Astronomy. Es posible acceder a una versión preliminar a través de arxiv.

Rapid contraction of giant planets orbiting the 20 million-years old star V1298 Tau (Suárez Mascareño et al. 2021, Nature Astronomy

Rapid contraction of giant planets orbiting the 20 million-years old star V1298 Tau (Suárez Mascareño et al. 2021, arxiv link)

Nota de prensa del IAC

Representación artística del sistema V1298 Tau (Gabriel Pérez Díaz, SMM, IAC)

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