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¿Sueñan los exoplanetas con vivir en sistemas binarios?

Crédito de la imagen destacada: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle.

Los exoplanetas son planetas que orbitan otras estrellas que no sean el Sol. Desde que se observó el primero en 1995, hemos ido descubriendo muchos más, hasta el punto de que hoy se conocen más de 4700. Estos exoplanetas pueden vivir en soledad o acompañados de otros exoplanetas en sistemas de una sola estrella (como en Trappist-1). Esperen, ¿siempre, siempre? ¿No hay planetas con dos soles, como el Tatooine natal de Luke Skywalker?

¡Pues sí! Sabemos que existen exoplanetas en sistemas binarios, que consisten en dos estrellas girando alrededor de un centro de masas común. En ellos, un exoplaneta puede estar girando alrededor de ambas estrellas (Figura 1) de manera que vería siempre dos soles más o menos juntos en el cielo. Esto es lo que llamamos un planeta “circumbinario” o de tipo P. Pero también puede ser que el exoplaneta esté girando alrededor de una de las estrellas, lo que llamaríamos un planeta “circunestelar” o de tipo S. En este caso, sólo se vería como “Sol” la estrella alrededor de la que gira, quedando la otra en otro punto del cielo. Es precisamente en este último tipo de exoplanetas en los que se centra el artículo del que hablaremos hoy.

Dos circunferencias concéntricas. Sobre la más externa hay un círculo azul, y sobre la interna, dos círculos grises más grandes. Alrededor de uno de estos círculos grises hay una circunferencia con un círculo azul.
Figura 1: Representación esquemática de un sistema binario con dos estrellas (puntos grises) y dos exoplanetas (puntos azules): uno de ellos es circumbinario o de tipo P (orbitando ambas estrellas), y el otro es circunestelar o de tipo S (orbita una sola estrella). Las líneas sólidas negras representan las órbitas de los exoplanetas, mientras que las grises representan el movimiento de las estrellas. Crédito de la figura: Philip D. Hall (Wikipedia).

Estableciendo la muestra

Las autoras de este artículo se plantean si estos exoplanetas que viven en sistemas estelares múltiples (con más de una estrella) tienen características distintas a los que viven en sistemas simples (de una sola estrella). Para investigar este planteamiento, consultan varias bases de datos y seleccionan todos los sistemas conocidos que cumplan con las siguientes condiciones:

  • Que tengan al menos 1 exoplaneta.
  • Que se conozca la masa y la órbita de dicho exoplaneta (semieje mayor).
  • Que estén a menos de 200 pársecs del Sol (hasta Betelgeuse son 197 pársecs, más o menos).
  • Que si es un sistema binario, sea una binaria visual confirmada, es decir, sistemas en los que las dos estrellas se distinguen bien entre sí (pues en otros casos podrían estar tan juntas que las veríamos más bien como una única estrella).

La muestra que logran recopilar contiene 938 estrellas en torno a las que orbitan 1316 exoplanetas de todo tipo: supertierras, júpiteres calientes, neptunos fríos… e incluso enanas marrones (que aunque no son “planetas” propiamente dichos, tampoco llegan a tener el status de “estrellas”, así que están un poco en medio).

¿Hay binarias en la muestra?

Una vez seleccionada la muestra, las autoras comprueban si contiene sistemas estelares múltiples, para poder realizar el estudio comparativo. Esto lo hacen tanto de forma manual (buscando en torno a cada estrella si hay alguna otra), como comparando con bases de datos especializadas en este tipo de sistemas. Y pese a que la mayoría de sistemas múltiples que encuentran “a mano” estaban ya catalogados, también hallan 10 nuevos.

En base a los resultados de esta búsqueda, determinan que un 23% de la muestra son sistemas estelares múltiples. ¡Casi 1 de cada 4 exoplanetas prefiere las binarias! Además, observan que los sistemas con varios exoplanetas aparecen con menos frecuencia en sistemas múltiples (18% de las veces) que los sistemas de un solo exoplaneta (25%). Pero… ¿son estos exoplanetas distintos a los que se encuentran en sistemas de una sola estrella?

¿Por qué tendrían que ser distintos? Pausa para repasar cómo se forma un sistema planetario

Antes de seguir, hagamos un repaso rápido de formación planetaria: una nube primigenia en rotación se va comprimiendo, acumulando suficiente material en el centro como para originar una estrella. A su alrededor, el material tiende a acumularse en forma de disco (disco protoplanetario) con los componentes sólidos más cerca de la estrella y los gases en las zonas más frías y alejadas. Normalmente, la agrupación de las partículas sólidas termina dando lugar a los planetas rocosos (como nuestra Tierra), mientras que los gases originan planetas gigantes puramente gaseosos. También pueden darse casos intermedios, en los que un pequeño núcleo rocoso acumula gas a su alrededor dando lugar a un gigante gaseoso.

Visto lo anterior, parece claro que la formación planetaria sigue a la formación estelar de una estrella. Pero ¿y si hay una segunda estrella? Su influencia gravitatoria podría, quizás, alterar el disco protoplanetario y evitar o favorecer la formación de ciertos planetas… ¿ven por dónde voy?

Comparando lo simple con lo múltiple

En el caso de sistemas con planetas circunestelares (que orbitan sólo a una estrella, la “primaria”, no necesariamente la más masiva), la segunda estrella (la “compañera”) podría influir en la dinámica del sistema. Todo depende de la distancia entre las dos componentes: por un lado, compañeras a “sólo” 20-50 Unidades Astronómicas o UAs (UA es la distancia Tierra-Sol, así que 20-50 UAs es un poco más allá de Plutón) evitarían que se formen planetas alrededor de la primaria. Por otro lado, compañeras muy separadas de la primaria (>1000 UAs) estarían demasiado lejos como para influir en los planetas, que por tanto se formarían y evolucionarían de manera muy parecida a los que viven en sistemas de una sola estrella. Pero en separaciones intermedias (100-300 UAs) la cosa se pone interesante, ya que la compañera podría perturbar el sistema y dar lugar a configuraciones planetarias distintas a las que habitualmente veríamos en sistemas simples.

Así, en este artículo se estudian las distribuciones y propiedades de los exoplanetas (masa y semieje mayor) en sistemas múltiples en función de la separación entre las estrellas (en tres rangos: <250, 250-1000 y >1000 UAs) y se comparan con las de los exoplanetas de sistemas simples. Además, estudian si hay relación con la masa de la estrella secundaria (menor que 0.3, 0.3-0.6 y mayor que 0.6 veces la masa del Sol) y, en general, las diferencias entre sistemas múltiples y simples en cuanto al número y tipo de exoplanetas que contienen.

Gráfico de masa planetaria frente al semieje de la órbita, en escala logarítmica en ambos ejes. Dos líneas grises horizontales y dos verticales establecen nueve regiones sobre las que hay una nube de puntos azules y magentas. Estos están mayoritariamente en la zona izquierda, con semiejes menores de 10 unidades astronómicas.
Figura 2: Distribución de los exoplanetas de la muestra según su masa (eje vertical, en masas de Júpiter) y semieje mayor (eje horizontal, en Unidades Astronómicas). Los puntos representan exoplanetas en sistemas simples (azul) o sistemas múltiples (magenta), y las líneas grises delimitan los distintos grupos de estudio. Crédito: Figura 4 del artículo original (Fontanive y Gagliuffi 2021).

Resultados: ¿afecta la multiplicidad estelar a la configuración planetaria?

En línea con lo esperado, los resultados del análisis muestran que los sistemas planetarios circunestelares en binarias muy separadas (>1000 UAs) no se diferencian significativamente de los observados en sistemas simples. Tampoco la masa de la compañera parece tener efecto alguno sobre la configuración planetaria.

Sin embargo, si la estrella compañera está a menos de 1000 UAs, sí afectaría en algunos casos: no para los exoplanetas de masas menores (menos del 10% la masa de Júpiter) ni para planetas gigantes en órbitas grandes, pero sí a los gigantes que se encuentran muy cerca de la estrella primaria (<0.5 UAs, un poco mayores que la órbita de Mercurio).

Y es que, en general, encuentran que los exoplanetas con masas mayores a la de Júpiter aparecen con mayor frecuencia en sistemas múltiples que el resto de exoplanetas: un 26% frente a un 17%. Este efecto es más acusado para los exoplanetas más masivos (>7 veces la masa de Júpiter) en órbitas más pequeñas, de los que uno de cada tres se encuentra en un sistema múltiple. Y esto es todavía más frecuente en los sistemas binarios más compactos (separaciones menores de 250 UAs).

Dos gráficos de densidad. El izquierdo frente al semieje mayor en UAs, y el derecho frente a la masa planetaria. En cada uno hay tres curvas cercanas a cero en los extremos y que alcanzan distintas alturas en las zonas intermedias.
Figura 3: Distribución de los exoplanetas de la muestra en función de su semieje mayor (panel izquierdo) y su masa (panel derecho). La línea negra discontinua representa a todo el conjunto de exoplanetas; la azul, a los que viven en sistemas simples; y la magenta, a los que viven en sistemas múltiples. La forma de las curvas da una idea de la cantidad de exoplanetas de cada tipo en cada rango de masa o semieje. Se aprecia cómo las distribuciones de exoplanetas para planetas con masas mayores a 0.1 masas de Júpiter y órbitas menores de 0.5 UAs, los sistemas múltiples muestran distribuciones diferentes a las de los sistemas simples. Crédito: adaptada de la Figura 5 del artículo original (Fontanive y Gagliuffi 2021)

Conclusiones

Pese a que no se trata de un análisis estadístico exhaustivo y se necesitan aún muchos esfuerzos para aumentar el conocimiento sobre el tema, este estudio ofrece una imagen general del posible efecto que la multiplicidad estelar podría tener sobre la configuración y características planetarias. En este sentido, se encuentra que cuanto más masivo es el exoplaneta, más frecuente es encontrarlo en binarias y con órbitas más cerradas.

En definitiva, parecería que la presencia de una estrella compañera afecta preferentemente a los planetas más masivos, ya sea favoreciendo su formación en zonas donde no sería posible en sistemas simples, o bien facilitando procesos de migración posteriores. Eso, o resulta que a los exoplanetas gigantes les gusta más vivir en sistemas con dos estrellas. ¡Quién sabe!

Acerca de Guayente Panizo

Nací y crecí en la isla de Lanzarote (Canarias, España), y tras completar mis estudios de Física y Astrofísica me embarqué en la aventura del doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Haciendo mi Trabajo Final de Grado conocí las estrellas binarias y fue un flechazo, así que ahora dedico mi tesis a investigar binarias de rayos X poco masivas, principalmente analizando espectros ópticos. Me gusta leer (especialmente ciencia ficción), jugar a rugby y la divulgación.

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