Una brecha emergente en exoplanetas sub-Neptunianos

• Título del artículo original: “A Gap in the Mass Distribution for Warm Neptune and Terrestrial Planets“
• Autores: David J. Armstrong, Farzana Meru, Daniel Bayliss, Grant M. Kennedy y Dimitri Veras
• Institución del primer autor: Centro de Exoplanetas y Habitabilidad, Universidad de Warwick, Coventry, Reino Unido
• Estado de la publicación: Publicado en Astrophysical Journal Letters

La abundancia de sistemas de exoplanetarios descubiertos hasta la fecha ha impulsado el desarrollo de grandes catálogos que documentan sus características en detalle. Esto ha ayudado a los astrónomos a descubrir pistas sobre su pasado a través de la comparación estadística de las propiedades físicas de estos sistemas. Este es el caso del estudio que destacamos hoy, donde el análisis estadístico de los datos de exoplanetas se han utilizado para identificar una tendencia emergente, insinuando posibles escenarios de formación.

Estudios de distribuciones planetarias

Trabajos previos han demostrado que el estudio de las tendencias encontradas en las distribuciones estadísticas de sistemas planetarios proporcionan información sobre los procesos que dan paso su formación y evolución. Existen múltiples tendencias que se han identificado en las distribuciones de radio-periodo orbital de planetas. Un ejemplo los es el desierto Neptuniano, que describe la región cercana a una estrella (período <2-4 días) donde no se encuentran exoplanetas del tamaño de Neptuno (> 0.1 M_J) dada la fuerte irradiación de recibe la estrella. Otro ejemplo lo es la Brecha de Fulton, también conocida como El Valle de Radio, un descubrimiento que indica la ausencia de planetas de tamaños en el rango de 1.5-2 masas terrestres.

En el articulo de hoy, los autores nos muestras cómo identificaron una tendencia similar en los planetas sub-Neptunianos (masas menores que la de Neptuno). En este estudio los autores encontraron una brecha dentro de la distribución de masas en función al período orbital de los planetas.

Encontrando la brecha

Los autores utilizaron datos obtenidos del Archivo de Exoplanetas de la NASA, que incluye observaciones de exoplanetas confirmados usando telescopios espaciales como Kepler, K2, TESS y varios sondeos de velocidad radial. El criterio para seleccionar este conjunto de datos fue basado en masas y periodos orbitales. Donde sólo eligieron planetas de masas <20M_⊕ , y períodos <20 días.

Luego, se realizó el análisis tomando dos muestras del conjunto de datos: la muestra prima (P1) y la muestra amplia (P2). P1 consiste solo en planetas que tienen inclinaciones medidas en las observaciones; mientras que P2 consiste tanto en planetas con inclinaciones medidas (todos los datos de la muestra P1), así como también los planetas que carecen de mediciones de inclinación. Por lo tanto el número de datos para P2 es mayor que P1, ya que la muestra P2 incluye todos los datos de P1.

Al trazar los planetas de ambas muestras en el plano de masa planetaria – período orbital, emerge una brecha para ambas muestras, como se ve en la Figura 1. La principal diferencia es que P2 contiene puntos de datos que se acercan a la brecha, visto en la Figura 2, posiblemente debido a los límites de inclinación desconocidos. La brecha sigue una pendiente negativa de masa con el aumento del período orbital, tiene un ancho de unas pocas M_⊕ y está potencialmente desprovista de planetas.

Pruebas de significancia estadística de la brecha

Para probar la relevancia de la brecha, se realizaron dos pruebas estadísticas: 1) Prueba de bimodalidad, también conocida como prueba de inmersión de Hartigan y 2) Ajuste del modelo de mezcla gaussiano.

La prueba de inmersión de Hartigan evalúa la multimodalidad comparando la distribución de las muestras, tanto P1 como P2, con una distribución unimodal generalizada. Los resultados de esta prueba demostraron que cualquier sesgo inducido por la observación terrestre (sistemática inducida por masa de aire, etc.) no genera la brecha.

Los modelos de mezclas son modelos de probabilidad que determinan la presencia de subpoblaciones dentro de una muestra. Como resultado, al ajustar estos modelos a los datos, se favorece un modelo de dos componentes (distribución bimodal) tanto para P1 como para P2. Esto confirma que los datos de cada muestra están efectivamente separados en dos subgrupos, lo que resalta la presencia de esta brecha.

Dado ambos resultados, los autores concluyen que la brecha es estadísticamente significativa en ambas muestras y aún más en P2, como se muestra en la Figura 2. Esto se debe al mayor número de puntos de datos en P2. Si se eliminaron los sesgos de observación y se confirmó la relevancia de la brecha, ¿cuál podría ser la razón por la cual los planetas cercanos a masas sub-Neptuno no existen en la brecha?

¿Mecanismos responsable de la brecha?

Existen varios mecanismos físicos que podrían ser responsables de una formación de una brecha como esta. Los posibles escenarios incluyen; interacciones dinámicas con un disco protoplanetario, otros planetas o material de acreción, así como interacciones de marea con la estrella anfitriona.

1) Ubicación de cero torque: el planeta podría haber quedado atrapado en una ubicación de cero torque dado a interacciones en dinámicas en el disco protoplanetario durante las primeras etapas de la formación del disco, donde el planeta no migra.
2) Estabilidad multiplanetaria: Las interacciones dinámicas con otros planetas podrían conducir a una inestabilidad dinámica en ciertas areas alrededor de la estrella anfitriona. Esto podría conducir la aparición de una brecha en la distribución.
3) Límite de acreción: Es posible que existan interacciones dinámicas con material de acreción donde el límite de acreción corresponda al lugar determinado por la brecha, debido a un crecimiento ineficiente. En este caso, los planetas crecen hacia el límite pero no dentro del mismo.
4) Mareas – interacciones de mareas con la estrella anfitriona. La brecha puede ser un resultado natural de las interacciones de marea giro-órbital, para lo cual la comprensión actual es limitada.

Aunque aún no se ha señalado un mecanismo particular, estudios futuros podrían extrapolar la verdadera naturaleza de esta brecha a través de observaciones adicionales con telescopios espaciales como TESS.

¡Esperamos a ver qué revelan datos adicionales sobre esta brecha!