HD 80606b: Desafiando nuestro conocimiento acerca de los Júpiters calientes

Título: Direct Measure of Radiative and Dynamical Properties of an Exoplanet Atmosphere
Autores: Julien de Wit, Nikole K. Lewis, Jonathan Langton, Gregory Laughlin, Drake Deming, Konstantin Batyng, Jonathan J. Fortney
Institución del primer autor: Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Estatus: Publicado en Astrophysical Journal Letter (ApJ Letters) en Abril 1, 2016. 

Por siglos, el sistema solar ha servido como modelo estándar para los sistemas planetarios en el Universo; con una estrella (el Sol) en el centro de una pista circular, y un planeta en órbita ocupando cada carril. Siguiendo este modelo, se esperan encontrar a los planetas más pequeños y rocosos en los carriles interiores mientras que los gigantes de gas orbitan más lejos. Sin embargo, durante los últimos 20 años, observaciones han revelado una gran cantidad de sistemas exóticos con configuraciones inesperadas. Comenzando con 51 Peg B, el primer  “Júpiter caliente” descubierto orbitando una estrella similar al Sol. Los Júpiter calientes son planetas grandes que giran abrasadoramente cerca de sus estrellas. Es decir, planetas masivos, usualmente gaseosos que orbitan de cerca a su estrella anfitriona. ¡Completamente opuesto a lo esperado, dado nuestro modelo estándar (el Sistema Solar)!

En el artículo que discutimos hoy, de Wit y sus colegas reportan observaciones realizadas de un planeta que contiene una órbita altamente excéntrica (e ~0.93),  HD 80606 b, a través del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA. Los investigadores llevaron a cabo una observación de más de 85 horas y estudiaron cómo cambia la temperatura del planeta al acercarse y alejarse de su estrella. Lo que encontraron desafía nuestro conocimiento acerca del origen de los Júpiters calientes al igual que el uso de nuestro sistema solar como modelo estándar de sistemas.

HD 80606b es un planeta extrasolar aproximadamente del tamaño de Júpiter, aunque cuatro veces más masivo, y reside en la constelación de la Osa Mayor, a unos 190 años luz de distancia. Este planeta se destaca por tener una órbita altamente excéntrica. Es decir, en lugar de mantener una trayectoria circular, este exoplaneta tiene más bien una órbita similar a la de un cometa. Pasa la mayor parte de su tiempo lejos de su estrella (aproximadamente 100 días); y luego, en su máxima aproximación, se mueve extremadamente rápido alrededor de la misma (aproximadamente 20 horas). En su máximo acercamiento, el planeta recibe una enorme cantidad de energía de su estrella – más de mil veces la energía de la Tierra recibe del Sol cada día. Este estudio determinó que cada 111 días el lado del planeta encarando a la estrella sube a una temperatura de 1,500 Kelvins, durante su máximo acercamiento. Sorprendentemente, se encontró que el planeta se enfría en menos de 10 horas a medida que comienza a alejarse de su estrella, alcanzando temperaturas tan frías que se hace invisible al telescopio Spitzer durante el resto de su órbita.

Imagen tomada de Nasa-JPL. En el panel superior, los puntos indican las posiciones del planeta en su órbita a intervalos de una hora relativo al periastro. Donde la estrella anfitriona está a escala relativa a la órbita del planeta. La temperatura varían de 500K-1500K. En el panel inferior, podemos observar el análisis fotométrico, donde los puntos son los datos y la línea amarilla es el mejor ajuste de curva de luz para 4.5 micrómetros.

Spitzer observó la luz combinada de la estrella y el planeta por un total de 80 horas, utilizando una longitud de onda infrarroja de 4,5 micrómetros. Este tiempo fue suficiente para observar la parte más caliente de la órbita del planeta, donde se encendió lo suficiente en relación con el total de luminosidad en el sistema para evaluarlo con mayor facilidad. En este gráfico, una ilustración de la órbita del planeta se muestra por encima de los datos, cada disco representa el hemisferio que encara la Tierra. La leve caída que refleja la curva de luz indica cuándo el planeta pasaba por detrás de la estrella. Durante ese período, sólo se observó la luz de la estrella. De esta forma, los astrónomos lograron restar los datos de luz de la estrella para observar los datos de luz que provienen del planeta como si lo pudiéramos observar por sí mismo. Con esta información los investigadores calculan también la velocidad de rotación de HD 80606b – ¡la primera velocidad de rotación exoplaneta jamás obtenida! Su velocidad de rotación es, esencialmente, la longitud de su día; se estima que es de 90 horas, que es el doble de lo previsto para este planeta.

Los astrónomos piensan que los Júpiter calientes comienzan en órbitas circulares, muy lejos de sus estrellas, como en nuestro sistema solar. En algún momento, algo grande y masivo les empuja hacia órbitas excéntricas (más elípticas). Estos exoplanetas son entonces presionados por la gravedad de sus estrellas anfitrionas cada vez que pasan por el punto más cercano (periastro). Durante cada encuentro cercano, una porción de la energía gravitacional se utiliza para apretar los planetas y se disipa en forma de calor, a través de la astmósfera del planeta. Este proceso reduce lentamente la excentricidad de las órbitas de los planetas y se le conoce como circularización. El mismo consiste en reducir la excentricidad de la órbita de un planeta, transformándola de una órbita elíptica a una circular. El periodo que tarda este proceso depende directamente de las propiedades interiores del planeta. Por su órbita y sus características se cree que HD 80606 b  está pasando por el proceso de circularización. Éste es el mecanismo utilizado para explicar cómo los Júpiters eventualmente adquirieron sus órbitas cercanas a la estrella y se originaron los Júpiters calientes.

Sin embargo, las nuevas observaciones de HD 80606b sugieren que la órbita del planeta no está cambiando a la rapidez que la teoría de circularización predice; y puede que mantenga su órbita excéntrica por otros 10 mil millones de años. Esto indicaría que los científicos deben reconsiderar las teorías de formación de Júpiter calientes y considerar alternativas como: 1) el que los gigantes de gas se desarrollan cerca de sus estrellas (in situ) desde el principio ó 2)migran en espiral hacia adentro con la ayuda de discos de formación planetaria.