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Descubierto un planeta extragaláctico orbitando a un agujero negro

  • Título original: M51-ULS-1b: The First Candidate for a Planet in an External Galaxy
  • Autores: R. Di Stefano, Julia Berndtsson, Ryan Urquhart, Roberto Soria, Vinay L. Kashyap, Theron W. Carmichael, Nia Imara
  • Institución del primer autor: Center for Astrophysics — Harvard Smithsonian, Cambridge, EUA
  • Etiquetas: exoplanetas, agujeros negros, galaxias
  • Estado de la publicación: ArXiv preprint, submitido al MNRAS

Se conocen miles de exoplanetas de diversa índole en nuestra galaxia, la mayoría de ellos asociados con estrellas similares a nuestro Sol, otros pocos con objetos más exóticos cómo estrellas de neutrones o enanas blancas (véase PSR B1257+12, una estrella de neutrones con tres planetas), pero hasta ahora ninguno había sido directamente descubierto en otra galaxia. Esto ha cambiado con el descubrimiento de M51-ULS-1b, en la Galaxia Remolino y, por si fuera poco, muy probablemente órbita entorno a un agujero negro. Pero… ¿cómo es posible la detección de un exoplaneta a más de veinte millones de años luz?

Ilustración de planetas orbitando a un agujero negro con un disco de acrecimiento. Créditos: Universidad de Kagoshima/NAOJ

Binarias de rayos X y exoplanetas

Figura 1, Izquierda: imagen en rayos X de la Galaxia Remolino (M51) tomada por Chandra. M51-ULS-1 se encuentra en el centro del cuadrado blanco. Figura 1, Derecha: imagen en luz visible de la región dentro del cuadrado blanco tomada por Hubble.
M51-ULS-1 se encuentra cerca de un joven cúmulo estelar dónde es muy común observar binarias de rayos X (en particular, una región H II). Nótese que en el visible M51-ULS-1 no se puede distinguir de las demás estrellas. Créditos: Di Stefano et al., 2020.

M51-ULS-1 es una estrella binaria compuesta por una estrella de alta masa y un agujero negro robándole materia con su fuerte gravedad. Se podría pensar que un agujero negro no emite ningún tipo de luz, per el material extirpado de la estrella original no cae directamente hacia él, sino que se acumula en un disco de acrecimiento a su alrededor. Estos disco suelen ser muy calientes, llegando a temperaturas de hasta centenares de miles de grados Kelvin y brillando en los rayos X con una intensidad miles o millones de veces superior a la luminosidad total del Sol. Tanto, que la binaria se puede observar incluso en galaxias a millones de años luz de distancia, tal y como se muestra en la Figura 1. Este tipo de sistemas se conocen como Binarias de Rayos X.

Dejando esto claro, vayamos a la detección de exoplanetas. Existen dos métodos principales para ello: el método de la velocidad radial y el método del tránsito. Este último consiste en observar una estrella y esperar que un planeta en órbita a su alrededor transite por nuestra línea de visión, eclipsándola parcialmente y reduciendo su brillo en unas centésimas. Con las Binarias de Rayos X se puede ir aún más allá, pues la región de emisión de rayos X en el disco de acrecimiento se concentra en una región muy compacta alrededor del agujero negro. Con un tamaño de cuatro veces el diámetro de la Tierra en el caso de M51-ULS-1, es suficientemente pequeña cómo para que un tránsito planetario resulte en un eclipse total de la emisión de rayos X. Así pues, un corto apagón de una Binaria de Rayos X puede ser indicador de la presencia de un planeta.

El descubrimiento de M51-ULS-1b

Figura 2, Izquierda: número de fotones recibidos de M51-ULS-1 a lo largo del eclipse (líneas negras). En astronomía de rayos X, en lugar de medir flujos de ondas de luz, se cuentan fotones individuales recibidos durante un período de tiempo, que son partículas de luz con paquetes de energía finita. De aquí viene la palabra cuentas, o counts en inglés, en el eje vertical. El eje horizontal simplemente denota el transcurso del tiempo. Los fotones dejan de ser recibidos durante el eclipse, lo que inidica una obstrucción total. Créditos: Figura 1 en Di Stefano et al., 2020.

Buscar este tipo de eclipses es en realidad una tarea complicada. Las binarias de rayos X son conocidas por la impredecible variabilidad de su luminosidad. Por esto, hay características propias de bajada de un eclipse planetario que se deberían de observar: el eclipse debe ser de corta duración, la luminosidad en los rayos X debe de ser reducida a cero, la variación del brillo debe de ser idéntica a lo largo de todo el espectro de los rayos X, y el brillo antes y después del supuesto eclipse deben de ser exactamente el mismo.

Investigando antiguas observaciones que el telescopio Chandra había hecho en la Galaxia Remolino, los astrónomos detectaron precisamente un señal de estas caracterísiticas en M51-ULS-1. En la Figura 2, se puede ver como la luminosidad de la binaria bajó prácticamente a cero durante más de una hora. Y pese a esto, ¿cómo podemos estar seguros de que se trate de un planeta?

Figura 3. Distribución de probabilidad del radio de M51-ULS-1b (curva negra). Donde más alta es esta, más proble es que el planeta tenga este radio. El punto máximo són 0.72 veces el radio de Júpiter, lo que indica naturaleza probablemente planetaria, mientras que la probabilidad de que se trate de una enana marrón es relativamente baja. Aún así, la distinción entre una enena marrón y un planeta gaseoso gigante no es muy clara, así que de ser el segundo caso no quitaría mérito al descubrimiento. Créditos: Figura 12 en Di Stefano et al., 2020.

Teniendo en cuenta la masa de la binaria y la duración del tránsito, los autores computan cual es el valor más probable de cada uno de los tres siguientes parámetros: la velocidad del objecto eclipsante, el parámetro de impacto y su tamaño. En la Figura 3, se puede ver que lo más probable es que se trate de un objeto un poco más pequeño que Saturno, y que con bastante seguridad no es una enana marrón o algo mayor. Una enana blanca podría tener el tamaño planetario adecuado, pero es descartada como la causante del eclipse ya estas requieren como mínimo 1.000 millones de años para formarse, mientras que la edad estimada del sistema es solamente de veinte millones de años. Además, una enana blanca actuaría como una lente gravitacional debido a su alta y compactada masa, incrementando la luminosidad del sistema en vez de eclipsarlo.

Vacaciones en M51-ULS-1b: ¿recomendado?

¿Y cómo debe de ser vivir en este planeta? Por su tamaño, seguramente tenemos a un gigante gaseoso, así que empezamos mal. Y por si fuera poco, pese a que la distancia entre M51-ULS-1b y sus estrellas madres es de más de una decena de unidades astronómicas, este debe de estar continuamente bañado con radiación de rayos X, mortífera para la vida como la conocemos. En definitiva, el planeta es básicamente un Júpiter caliente con una dosis extremadamente extra de rayos X. Pero no lo menospreciéis, pues tiene un factor my cool: este planeta es un superviviente de la supernova de la estrella original que se convirtió en agujero negro.

Entonces, no nos hagamos con ilusiones con visitar una civilización extragaláctica en M51-ULS-1b. Lo que podemos aprender de este planeta es que estos parecen existir alrededor de objetos de naturaleza muy diversa, y más allá de nuestra galáxia. La naturaleza es experta en sorprendernos, así que quien sabe que otros tipos de exoplanetas quedan por descubrir.

Acerca de Miquel Colom i Bernadich

Nacido y criado en Catalunya, mostré mi interés por la astronomía desde bien chiquitito. Estudié física fundamental en la Universidad de Barcelona y redacté mi tesis de grado sobre el crecimiento de las galaxias. Cursé un máster en astronomía y ciencias del espacio en la Universidad de Uppsala, en Suecia, donde practiqué astronomía de neutrinos con la gente del IceCube entre otras cosas. Redacté mi tesis de máster en Berlín sobre astronomía de rayos-X con los telescopios XMM-Newton y eROSITA, y ahora soy estudiante doctoral en Instituto Max Planck por la Radioastronomía en Bonn, Alemania. Mi tarea actual es cazar y analizar radiopúlsares, estrellas de neutrones magnetizadas con altas frequencias de rotación, con los radiotelescopios de MeerKAT y Parkes. En mi tiempo libre soy un gamer, lector y excursionista. Me interesa mucho la historia moderna también.

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