Creando un inventario cósmico de planetas rocosos

• Título: Terrestrial planets across space and time,
• Autores: Erik Zackrisson, Per Calissendorff, Juan González, Andrew Benson, Anders Johansen, and Markus Janson
• Institución del primer autor: Uppsala University, Sweden.
• Estado del artículo: enviado a revision.
• Astrobite original: Creating a Cosmic Inventory of Rocky Planets, por Joseph Schmitt.

En 1989, solamente se conocían nueve planetas en todo el universo (pobre Plutón). En la actualidad está confirmada la existencia de entre 1600 a 2100 exoplanetas (depende a quién le preguntes). Todos estos planetas están situados en una pequeña region de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Sin embargo, sabemos que existen miles de millones de galaxias. Entonces la pregunta más bien seria, ¿Cuántos planetas esperamos que existan en todo el universo? El artículo de hoy trata de crear un “inventarío cósmico” de planetas terrestres (rocosos) combinando los campos de la cosmología, formación de galaxias, y física de exoplanetas. El objetivo es estimar el número de planetas alrededor de estrellas tipo FGKM (para distinguir estrellas de diferente masa, los astrónomos les asignan diferentes letras. Por ejemplo, nuestro Sol es una enana de tipo espectral G).

La receta

El ingrediente más directo que va en la receta para crear el inventario cósmico de exoplanetas es el material del cual estos se forman. Los elementos más pesados que el Helio y el Hidrógeno son los más importantes pues estos son los que pueden crear el material sólido que constituyen los planetas. A estos elementos se les llama “metales” (sí, incluso a elementos como el oxígeno y el neon). La cantidad de metales en un objeto se le conoce como metalicidad. Las regiones de formación de planetas (discos protoplanetarios ) tienden a formar planetas de gas gigantes más grandes si el disco tiene una alta metalicidad. Esto se debe a que en esos discos hay más material sólido para aglomerar cuando todavía hay mucho gas alrededor para capturar. Estos planetas masivos se empujan uno al otro en la etapa inicial de formación planetaria, causando una posible expulsion de planetas pequeños y rocosos que también se formaron en el sistema. Por otra parte, si el disco es muy bajo en metalicidad, es posible que el sistema no tenga suficiente material sólido para formar planetas terrestres. Es decir, se necesita una dosis precisa de metalicidad. No demasiado, pero tampoco muy poco. Esta dependencia en metalicidad se combina con el conocimiento obtenido estudiando los más de 2000 exoplanetas conocidos sobre qué planetas se forman alrededor de qué tipo de estrellas.

Así que ahora que tenemos un modelo de cómo crear planetas alrededor de estrellas, necesitamos crear las estrellas y las galaxias en las que estos habitan. Los autores usan lo que se conoce como modelos semi-analíticos. Estos son básicamente modelos sencillos de evolución galáctica modificados para que correspondan con las observaciones y estudios galácticos. (Esto es posible observando galaxias lejanas. Mientras más lejos ves, más hacia el pasado ves. Estos nos permite observar galaxias cuando eran más jóvenes). Estos modelos semi-analíticos son una forma rápida para modelar un volumen de muestra representativo del universo, sin tener que durar años corriendo una simulación. Estos modelos muestran a las galaxias creciendo y cambiando con el tiempo. Con estos modelos los autores pueden seguir el nacimiento, muerte e incluso algunas propiedades de las estrellas como metalicidad, edad y masa. Los autores luego usan el modelo de formación de planetas para calcular el número y tipos de planetas que orbitan a los diferentes tipos de estrellas formadas en todas las galaxias.

El inventario cósmico

La edad promedio de los planetas terrestres en nuestro universo local es de 8.1 Gyr (10⁹ años). Los planetas más viejos se encuentran en las galaxias más grandes, esto es debido a que las galaxias más grandes se formaron primero, permitiendo a los planetas formarse primero en estas galaxias. Algunas de las estrellas más masivas con planetas terrestres ya han muerto, inmolando con ellas sus planetas. Pero esto no se aplica a la mayoría de las estrellas; para las estrellas con una masa menor a 0.95 X la masa del Sol el tiempo de vida es más largo que la edad actual del universo. En total alrededor del 15% de todos los planetas terrestres se han perdido debido a la muerte de sus estrellas huéspedes.

La edad promedio de un planeta orbitando una estrella FGKM (en negro) y una FGK (en azul) en función del logaritmo de la masa de la galaxia en que se encuentra. Las galaxias más masivas albergan planetas más viejos, y en las galaxias más pequeñas los planetas orbitando estrellas de tipo M tienen a ser más jóvenes que los que orbitan estrellas FGK.

El modelo de los autores hace la fuerte predicción que alrededor de 1/3 de todos los planetas terrestres deberían encontrarse orbitando estrellas con un mayor nivel de metalicidad, o ( lo más probable) con un menor nivel de metalicidad al de todas las estrellas conocidas en la actualidad con planetas. Otra afirmación importante hecha por los autores es que estos estiman que una galaxia como Vía Láctea debería contar con alrededor de 100 mil millones de planetas terrestres orbitando estrellas enanas de tipo M, pero solo 2 mil millones alrededor de estrellas como el Sol de tipo FGK. Esto concuerda con las estimaciones de otros artículos que afirman que la cantidad de planetas alrededor de estrellas enanas de tipo M, es mayor que la cantidad que orbitan estrellas parecidas a nuestro Sol.

Al fina de cuentas, ¿Cuál es el número total de planetas terrestres para todo el universo? Los autores estiman que en todo el universo observable existen 8 X 10²⁰ planetas terrestres, de los cuales el 98% orbita estrellas de tipo M. Debido a esto muchos grupos de investigación están enfocando su atención a las estrella de tipo M en la búsqueda de más planetas terrestres.