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Un planeta supergigante en los confines de su sistema solar

  • Título original: The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter
  • Autores/as: Yapeng Zhang, Ignas A. G. Snellen1, Alexander J. Bohn, Paul Mollière, Christian Ginski, H. Jens Hoeijmakers, Matthew A. Kenworthy, Eric E. Mamajek, Tiffany Meshkat, Maddalena Reggiani & Frans Snik.
  • Institución del primer autor: Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands.
  • Etiquetas: formación planetaria, exoplanetas.
  • Estado de la publicación: publicado en Nature, accesible en arXiv.org.
Figura 1. Imagen capturada con el Very Large Telescope, enseñando TYC 8998-760-1 (el más brillante), TYC 8998-760-1 b y TYC 8998-760-1 c (de arriba abajo, señalados con flechas). La imagen tiene cuatro arcosegundos de lado y el sistema se encuentra a 94.6 kpc de distancia. Los puntos y anillos alrededor de TYC 8998-760-1 son objetos del fondo y efectos de difracción debidos al coronógrafo. Créditos: ESO/Bohn et al 2020.

El sistema planetario de TYC 8998-760-1 no ha dejado de sorprender astrónomos y astrónomas desde su descubrimiento. Para empezar, debido a que las estrellas son mucho más brillante que sus planetas, es generalmente imposible tomar imágenes directas de ellos. Por esto, métodos más sutiles como la técnica del efecto Doppler o la técnica del tránsito son típicamente más efectivos al descubrir exoplanetas. Sin embargo, TYC 8998-760-1 b y TYC 8998-760-1 c son una excepción, ya que fueron descubiertos directamente con fotografías tomadas desde el Very Large Telescope, uno de los más poderosos del mundo. ¿Cómo es esto posible? Pues tapando la estrella con un coronógrafo, de forma que los planetas se hicieron visibles (Figura 1). Esto es posible solamente si los planetas se encuentran muy lejos de su estrella, como en este caso, ya que TYC 8998-760-1 b y TYC 8998-760-1 c se separan como mínimo 160 y 320 unidades astronómicas de su estrella. ¡Esto es más de 5 y 10 veces más lejos que Neptuno lo es del Sol! Además, las masas estimadas para estos planetas son 14 y 6 veces la masa de Júpiter, lo que los convierte en planetas supergigantes de gas.

Pero la historia no acaba aquí. TYC 8998-760-1 tiene la misma masa que nuestro Sol, pero tiene no más de 17 millones de edad. Comparado con los 5.000 millones de nuestra estrella, esto la convierte en un bebé estelar. De esta forma, estamos viendo un sistema solar casi justo después de su formación, cuando las órbitas de los jóvenes planetas no son necesariamente estables, lo cual nos da una oportunidad única para estudiar la evolución de sistemas planetarios en su niñez.

Y precisamente hablando de ello, la pregunta más obvia por el momento es: ¿cómo han llegado estos dos supergigantes de gas a habitar confines tan remotos de su sistema planetario? Hay tres posibles respuestas: la primera es formación en su lugar actual, la segunda es que fueron expulsados de regiones más internas por un objeto más masivo, y la tercera que fueron capturados del exterior. ¿Cuál de estas explicaciones es la correcta? Recientes observaciones parecen haber dado una respuesta para TYC 8998-760-1 b, y todo gracias al isótopo 13 del carbono (13C).

¿Qué es el Carbono-13?

Un átomo de carbono tiene en general seis protones y seis neutrones, con un número másico total de 12 (12C). Sin embargo, el carbono también puede existir atípicamente con siete neutrones, lo que le da un número másico de 13 (13C). Estas variedades de átomos con diferentes números másios son llamados isótopos, y otro ejemplo muy conocido es el deuterio. Moléculas formadas con isótopos en lugar del átomo regular son análogamente llamadas isotopólogos, y uno de los más interesantes en la física estelar y planetarias es el monóxido de carbono-13 (13CO).

Pero quizás, antes de irnos a TYC 8998-760-1 b, es importante explicar como los astrónomos y las astrónomas miden abundancias moleculares en cuerpos astronómicos. Tanto los átomos como las moléculas tienen líneas espectrales de absorción que los caracterizan. En pocas palabras, debido a la mecánica cuántica, los posibles estados de energía de los átomos y moléculas son muy restringidos, y cuando éstos entran en contacto con fotones de luz con una energía igual a la diferencia entre estos niveles, los absorben produciendo dichas líneas de absorción en determinadas longitudes de onda. Son estas líneas las que se miden para calcular las abundancias de ciertos elementos en estrellas y atmosferas planetarias. Isótopos e isotopólogos como el 12CO y el 13CO, al tener masas ligeramente diferamentes, tienen también líneas de absorción diferentes que permiten diferenciarlos, y en ello se basa el estudio que revisamos hoy.

Medidas de 13CO en TYC 8998-760-1 b

Figura 2. Los autores han hecho un modelo de abundancias en la atmosfera de TYC 8998-760-1 b para explicar su espectro observado. El llamado modelo reducido ignora expresamente cualquier contenido de 13CO, mientras que el modelo entero lo incluye. Subfigura a: El espectro de TYC 8998-760-1 b centrado en una región del infrarrojo próximo. En él, se pueden distinguir tres líneas de absorción de 12CO dominando el espectro. Subfigura b: zoom en la zona sombreada de la subfigura a donde se señala las posiciones de líneas del 13CO. Subfigura c: Diferencia de los modelos entero y reducido con respeto a la observación. Las lineas extras que no aparecen son elementos no tenidos en cuenta en el modelo. Subfigura d: comparación del modelo entero con los residuos del modelo reducido. El modelo entero explica algunas trazas que el reducido no puede explicar debido a la presencia de 13CO. Subfigura e: correlación del espectro producido por el modelo entero consigo mismo y con la observación. La similitud de las dos curvas indica la eficacia del modelo entero. Créditos: Zhang et al. 2021

Usando los principios expuestos en la sección anterior y con observaciones hechas con el Very Large Telescope, los autores del estudio midieron las abundancias tanto de 12CO como de 13CO en TYC 8998-760-1 b, y el 12CO resultó ser tan solo 31 veces más abundante que el 13CO (Figura 2). Esto es muy interesante, ya que por ejemplo en el Sistema Solar, la molécula de 12CO es 89 veces más abundante que la de 13CO, siendo este número 68 en el promedio del medio interestelar. Por lo tanto, en comparación, TYC 8998-760-1 b tiene una excepcional abundancia del isotopólogo 13CO.

Figura 3. Diagrama que representa el entorno donde TYC 8998-760-1 b (en la derecha) se formó. La acumulación de 13CO se explica por el almacenamiento de CO en partículas de hielo más allá de su línea de nieve (CO snowline en inglés). Más al detalle, el 12CO tiende a permanecer en forma gaseosa más que lo hace el 13CO debido a distintas propiedades entre los isotopólogos. Créditos: Zhang et al. 2021

Según los autores, este descubrimiento da pistas sobre la formación del exoplaneta. En primer lugar, esto encaja con la evolución esperada de las abundancias galácticas, ya que la abundancia de 12C sobre 13C ya había sido medida alrededor de 30 en protoestrellas, y esto es consistente con TYC 8998-760-1 siendo un joven sistema planetario de tan solo 17 millones de años de edad. Esto también favorece la hipótesis de que TYC 8998-760-1 b fue formado in situ en su órbita actual, ya que en general la abundancia del 13CO aumenta en el hielo debido a ciertos procesos químicos, y la línea de nieve para el CO en los discos protoplanetarios alrededor de estrellas solares se encuentra a unas decenas de unidades astronómicas, un poco más allá de la distancia entre el Sol y Neptuno (Figura 3). Este hielo es el que TYC 8998-760-1 b probablemente acretó durante su formación y sigue acretando hoy en día.

De esta forma, hoy sabemos que los planetas se pueden llegar a formar en los confines más lejanos e fríos de sus sistemas solares, lo cual es una imagen radicalmente diferente a lo que hemos aprendido de nuestro propio Sistema Solar. Y es que el mundo de los exoplanetas está lleno de muchísimos mundos por explorar…

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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