¿Enanas blancas evaporando atmósferas de exoplanetas?

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito: Título: Evaporation of Close-in Sub-Neptunes by Cooling White Dwarfs. Autoría: Elena Gallo, Andrea Caldiroli, Riccardo Spinelli, Federico Biassoni, Francesco Haardt, Mary Anne Limbach, Juliette Becker y Fred C. Adams. Institución de la primera autora: Departamento de Astronomía, University of Michigan, EEUU. Estado: enviado a “The Astrophysical Journal”.

La búsqueda de vida en otros planetas es un área compleja, especialmente cuando hablamos de exoplanetas. Dado que en general se considera que la vida necesita agua para desarrollarse, parte de la búsqueda se centra en localizar planetas (o lunas) que permitan la existencia del líquido vital en su superficie. Esto depende de numerosos factores, como la distancia a la estrella o la composición del planeta. En particular, se ha establecido que la presión y temperatura en planetas con atmósferas de hidrógeno y helio, como los gigantes gaseosos, son excesivas como para que exista agua líquida en su superficie. Pero, ¿podemos descartar estos planetas como fuentes de vida para siempre?

Atmósferas a la fuga… ¿orbitando enanas blancas?

Lo cierto es que algunos procesos pueden “drenar” la atmósfera de gigantes gaseosos, haciéndolos más parecidos a planetas rocosos. Por ejemplo, si la atmósfera absorbe radiación muy energética, sus moléculas pueden disociarse liberando electrones. Estos electrones calientan el gas atmosférico, haciendo que este se expanda hasta que la gravedad del planeta no es capaz de retenerlo (Figura 1). Este proceso se conoce como “escape atmosférico dirigido por XUV” (XUV abrevia “rayos-x y ultravioleta”), y se sabe que puede ocurrir en exoplanetas muy cercanos a estrellas de tipo solar. El artículo de hoy explora por primera vez la situación en otro tipo de astros: las enanas blancas.

Las enanas blancas pueden considerarse los cadáveres de estrellas de tipo solar. Se trata de objetos pequeños y poco brillantes, que se van enfriando a medida que transcurre el tiempo. Aunque su formación es relativamente violenta y puede destruir los planetas que estuviesen orbitando la estrella original, los modelos de evolución sugieren que los más alejados (más de 5 unidades astronómicas, UA) podrían sobrevivir y mantenerse en órbita de la enana blanca resultante. E incluso un punto más allá, pues en el artículo que resumimos hoy se estudia la posibilidad de que las enanas blancas modifiquen las atmósferas de los planetas supervivientes, haciéndolos potencialmente habitables.

Primera aproximación al caso

La cuestión central del estudio es: “¿puede una enana blanca producir escape atmosférico en planetas que la orbiten?”. Dado que conocemos pocos exoplanetas orbitando enanas blancas y todavía no existe un marco teórico sólido para describirlos, el equipo firmante del artículo utiliza una aproximación numérica para analizar la evolución de un sistema planetario en simulaciones computacionales.

Dado que se trata de una primera aproximación al problema, no estudia todas las variaciones posibles de masa de la estrella, masa y radio del planeta y separación entre ambos. Al contrario: toman un único “sistema modelo” formado por una enana blanca (de 0.6 veces la masa solar) y un exoplaneta orbitando a 0.02 UA de distancia (se conoce al menos un caso de sistema con dicha separación). El equipo estudia dos casos con exoplanetas distintos: uno de alta gravedad, típicamente un gigante gaseoso (1.24 veces la masa de Júpiter y 1.19 veces su radio) y luego uno de baja gravedad, un “sub-Neptuno”. Conviene aclarar que el término suele referirse a exoplanetas más pequeños que Urano/Neptuno, pero considerablemente más masivos que la Tierra. En el estudio se simula un sub-Neptuno de 8 veces la masa terrestre y 2.7 veces su radio.

El equipo analiza la evolución de este sistema simulado mientras la enana blanca se enfría durante 600 millones de años, disminuyendo su temperatura de 69 000 K a 10 000 K. A medida que se enfría, el astro emite menos radiación XUV (la que podría generar el escape atmosférico), lo que afecta al ritmo de evaporación de la atmósfera del planeta. Así, el estudio monitoriza el parámetro llamado “eficiencia de evaporación”, que a grandes rasgos informa de cuánta atmósfera se está evaporando respecto al máximo teórico que se podría estar evaporando para cierto flujo de radiación XUV. Dicho de forma más técnica: es el cociente entre el ritmo simulado de salida de masa y el ritmo máximo teórico si todo el flujo XUV absorbido se emplease en expandir (y expulsar) la atmósfera del planeta. En definitiva, cuanto mayor sea el valor de la eficiencia, mejor se estará aprovechando la radiación de la estrella para evaporar la atmósfera. Por lo tanto, este parámetro está relacionado con la pérdida de masa atmosférica.

Resultados y trabajo futuro

Los resultados del estudio permiten responder a la pregunta inicial: sí, la radiación de las enanas blancas podrían producir escape atmosférico en los exoplanetas que la rodean. Al menos, en los casos simulados. Como puede verse en la Figura 2, los dos planetas analizados pierden masa, aunque a ritmos distintos. El sub-Neptuno se “drena” durante todo el periodo estudiado, a ritmos de más de 100000 toneladas de atmósfera por segundo en los primeros 100 millones de años. Incluso tras 600 millones de años de enfriamiento de la enana blanca, seguirá perdiendo hasta 1000 toneladas/segundo, lo que al final lleva a la práctica extinción de su atmósfera de hidrógeno y helio. Sin embargo, el gigante gaseoso apenas pierde un 1% de su masa, lo que a efectos prácticos apenas le afecta. En resumen: la radiación de las enanas blancas parece ser suficiente para producir escape atmosférico en planetas tipo sub-Neptuno a distancias mucho menores que una unidad astronómica.

Como complemento, el equipo extrapola los resultados para el caso de una órbita elíptica, y encuentra que a medida que se aumenta la excentricidad, la tasa de pérdida de masa a lo largo de una órbita puede disminuir hasta un factor 2 comparado con el caso de una órbita circular.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que los resultados obtenidos son sólo una primera aproximación al caso de estudio y de ningún modo deben tomarse como conclusiones absolutas. Por suerte, el equipo planea un estudio más detallado extendiendo el número de casos y desarrollando modelos evolutivos de este tipo de sistemas. ¿Podrían tener vida los sub-Neptunos que orbitan enanas blancas? ¡Habrá que estar pendiente de sus resultados!