Estrellas dobles cambiando el rumbo de la oblicuidad planetaria

• Título del artículo original: “Obliquity Evolution of Circumstellar Planets in Sun-like Stellar Binaries“
• Autores: Billy Quarles, Gongjie Li, Jack J. Lissauer
• Institución del primer autor: Centro de Astrofísica Relativista, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia USA
• Estado de la publicación: Publicado en Astrophysical Journal/arXiv el 20 de noviembre de 2019.

Los sistemas de estrellas binarias son grupos de dos o más estrellas que giran alrededor del centro de masa que comparten. La mayoría de las estrellas en la galaxia pertenecen a sistemas binarios. La abundancia de estrellas binarias, combinado con el desarrollo de técnicas de detección de exoplanetas han llevado a la confirmación de varios planetas alrededor de sistemas binarios. Ahora que conocemos la existencia de dichos exoplanetas y contamos con las herramientas para modelar su dinámica planetaria, es posible explorar a fondo su habitabilidad.

En el contexto de la dinámica orbital, observar cómo las variaciones en la inclinación del eje de rotación del planeta (formalmente conocida como oblicuidad) afectan al clima del planeta a través del tiempo, podría ayudarnos a identificar qué exoplanetas pueden desarrollar las condiciones necesarias para ser habitables. En el articulo de hoy, un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia simularon cómo se comportaría el clima de la Tierra si nuestro planeta fuera colocado en un sistema binario. Específicamente, cómo las estrellas dobles influyen en la inclinación del eje de rotación de los planetas, y si estas permitirían que tuvieran climas estables o cambios de estaciones adecuados.

¿Qué es oblicuidad y por qué nos importa?

Una de las características vitales de un planeta es la oblicuidad. Esta inclinación cambia lentamente con el tiempo. Por ejemplo, en un ciclo de 41,000 años la oblicuidad de la Tierra ha variado entre los 22.1 y 24.5 grados de inclinación con respecto al Sol (actualmente ubicada alrededor de los 23.5 grados de inclinación). Estas variaciones (precesión) son moderadas por la influencia gravitacional de la Luna, sin la cual la inclinación axial de la Tierra se vería sacudida por las influencias gravitacionales de los planetas cercanos. En general, la precesión de la oblicuidad, ha moderado nuestro clima, alentando el desarrollo de la vida en nuestro propio mundo.

Otro ejemplo de los efectos de variaciones en oblicuidad en nuestro sistema solar es Marte, que cuenta con una oblicuidad mucho mayor y variaciones más rápidas de lo que experimenta nuestro planeta. La inclinación axial de Marte puede oscilar entre 10 y 60 grados con respecto al Sol en el transcurso de un ciclo de dos millones de años. En su límite inferior (10 grados), se forma hielo cerca de los polos, como lo hace hoy. Pero a una inclinación de 60 grados, se podría formar hielo en un cinturón alrededor del ecuador marciano.

Hace miles de millones de años Marte tenía una atmósfera significativa, permitiendo la formación de vastos mares de agua líquida en su superficie. Actualmente, Marte cuenta con una atmósfera delgada y condiciones climáticas análogas a las de un vasto desierto helado. Aún no contamos con una idea completa que provea las razones tras este cambio drástico. Sin embargo, la variación extrema de la oblicuidad del planeta podría desempeñar un papel importante en el fin de la era templada de la historia marciana, donde la precesión de su eje parece haber contribuido a una pérdida de atmósfera.

¿Y si orbitáramos un sistema binario?

Conocemos que las variaciones en oblicuidad están asociadas a cambios climáticos en los planetas rocosos de nuestro sistema solar. Sin embargo, ¿cuál sería el resultado de dichas variaciones en planetas rocosos localizados en sistemas binarios? ¿Cómo se comportarían los planetas en dicho sistema planetario, dadas las complejas fuerzas gravitacionales en acción?

Para explorar dicho escenario, los autores del articulo de hoy realizaron simulaciones donde modelaron variaciones de oblicuidad de un planeta similar a la Tierra si estuviera localizado en un sistema binario. Particularmente, qué condiciones existirían la Tierra orbitara alrededor de una de las estrellas de Alpha Centauri, el sistema estelar binario más cercano a nuestro sistema solar. Alpha Centauri es un sistema compuesto por una estrella más grande, A, y un compañero más pequeño B. A es de tipo espectral y masa similar al Sol (G2V, 1.1M_☉), mientras que B es una enana naranja un poco menos masiva (K1V, 0.907M_☉).

Este estudio se enfocó en la dinámica orbital de una Tierra virtual que rodea a B, mientras que A orbitaba con el sistema, influyendo en las interacciones gravitacionales entre los cuerpos. Si bien se puede desarrollar una órbita estable en un gemelo de la Tierra que orbita Alpha Centauri A, no es probable que se formen las mismas condiciones planetas terrestres acompañando a Alfa Centauri B. Planetas orbitando a Alfa Centauri B se verían altamente afectados por la órbita de A, que es altamente elíptica; produciendo un efecto gravitacional tremendamente errático en el sistema. Para los sistemas que orbitan α Cen B, la zona habitable conservadora está más cerca de la estrella anfitriona, lo que permite una resonancia de órbita giratoria que aumenta sustancialmente la variación de la oblicuidad (∆ε ≈ 40° – 65°).

Contra-intuitivamente, agregar una Luna a la Tierra virtual resultó en un aumento en la excentricidad del planeta que empeoró su estabilidad orbital. Este es justo el efecto opuesto de lo que vemos entre Tierra y Luna en nuestro propio sistema solar. Resulta que alrededor de Alpha Centauri B, si no tienes luna, las simulaciones proyectan un eje más estable que cuando se considera una luna. Incluso sin luna las simulaciones proyectan fluctuaciones demasiado extremas para que la vida florezca en un mundo con Alpha Centauri B como estrella anfitriona.

¿Y si no fuera Alfa Centauri?

Los autores amplían su investigación e incluyen en su trabajo una discusión sobre los efectos de dichas variaciones en Tierras orbitando binarias con múltiples variaciones de separación y masas estelares. El estudio concluyó que aproximadamente el 87% de las Tierras virtuales estudiadas desarrollarían una inclinación axial similar a la observada en la Tierra, lo que aumenta la esperanza de que la vida pueda desencadenarse y evolucionar en exoplanetas distantes.

La distancia entre Alpha Centauri A y B es sorprendentemente cercana, aproximadamente la distancia entre nuestro Sol y el planeta Urano. En otros sistemas, las distancias entre las estrellas son generalmente mayores, lo que significa que las influencias gravitacionales entre las estrellas se reducen, lo que permite a los planetas mantener su inclinación axial. Esto es un buen augurio para la habitabilidad de estos planetas.

Combinando sus resultados con estudios de población de estrellas binarias, este estudio encuentra la posibilidad de que un rotador similar a la Tierra que orbita la estrella primaria experimente pequeñas variaciones de oblicuidad (<2.4 °) es 87% , 74% o 54%, dependiendo de la masa de las estrellas primarias (0.8, 1.0 o 1.2 M⊙ de tipo Solar, respectivamente).

Esperanza en el universo

A través de este estudio los autores demuestran que, para un planeta similar a la Tierra localizado en una binaria como Alfa Centauri, las variaciones de oblicuidad planetaria dependen de la estrella anfitriona, donde los vecinos planetarios limitan la estabilidad de oblicuidad. Específicamente para Alfa Cen B, la evolución terrestre no tomaría lugar en la exo-Tierra. Esta planeta experimentaría diferencias en los ciclos climáticos relacionados con la extensión de la órbita. En lugar de tener glaciaciones cada 100,000 años como en la Tierra, pueden venir cada 1 millón de años, ser peores y durar mucho más.

En general, si la separación entre las estrellas es mayor, la segunda estrella tiene menos efecto en el modelo de la Tierra. La propia dinámica de movimiento del planeta domina otras influencias, y la oblicuidad generalmente tiene una variación menor. Esto significa hay esperanzas para el desarrollo de condiciones habitables en otras binarias donde la órbita planetaria y el giro deben preceder exactamente en relación con la órbita binaria.