Los planetas hinchados pierden atmósferas y se convierten en supertierras

Los astrónomos han identificado dos casos diferentes de planetas “mini-Neptuno” que están perdiendo sus atmósferas hinchadas y probablemente transformándose en súper-Tierras. La radiación de las estrellas de los planetas está despojando sus atmósferas, haciendo que el gas caliente escape como el vapor de una olla de agua hirviendo.

Los hallazgos, publicados en dos artículos separados en El diario astronómicoayudan a pintar una imagen de cómo se forman y evolucionan mundos exóticos como estos.

Los Mini-Neptunos son una clase de exoplanetas, que son planetas que orbita estrellas fuera de nuestro sistema solar. Estos mundos, que son versiones más pequeñas y densas del planeta Neptuno, consisten en grandes núcleos rocosos rodeados por gruesas capas de gas. En los nuevos estudios, un equipo de astrónomos dirigido por Caltech utilizó el Observatorio WM Keck en la cima de Maunakea en Hawái para estudiar uno de los dos planetas mini-Neptuno en el sistema estelar TOI 560, ubicado a 103 años luz de distancia; y utilizaron el Telescopio Espacial Hubble de la NASA para observar dos mini-Neptunos que orbitan HD 63433, ubicados a 73 años luz de distancia.

Sus resultados muestran que gas atmosférico está escapando del mini-Neptuno más interno en TOI 560, llamado TOI 560.01, y del mini-Neptuno más externo en HD 63433, llamado HD 63433 c. Esto sugiere que podrían estar convirtiéndose en súper-Tierras.

“La mayoría de los astrónomos sospechaban que los mini-Neptunos jóvenes y pequeños debían tener atmósferas que se evaporaban”, dice Michael Zhang, autor principal de ambos estudios y estudiante graduado en Caltech. “Pero nadie había atrapado uno en el proceso de hacerlo hasta ahora”.

El estudio también encontró, sorprendentemente, que el gas alrededor de TOI 560.01 escapaba predominantemente hacia la estrella.

“Esto fue inesperado, ya que la mayoría de los modelos predicen que el gas debería alejarse de la estrella”, dice la profesora de Ciencias Planetarias Heather Knutson, asesora de Zhang y coautora del estudio. “Todavía tenemos mucho que aprender sobre cómo funcionan estos flujos de salida en la práctica”.

Brecha planetaria explicada

desde el primero exoplanetas Las estrellas similares al Sol en órbita se descubrieron a mediados de la década de 1990, se han encontrado miles de otras. Muchos de estos orbitan cerca de sus estrellas, y los más pequeños y rocosos generalmente se dividen en dos grupos: mini-Neptunos y súper-Tierras. Los planetas de este tipo no se encuentran en nuestro sistema solar. Las súper-Tierras son tan grandes como 1,6 veces el tamaño de la Tierra (y ocasionalmente tan grandes como 1,75 veces el tamaño de la Tierra), mientras que los mini-Neptunos tienen entre dos y cuatro veces el tamaño de la Tierra. Se han detectado pocos planetas con tamaños entre estos dos tipos de planetas.

Una posible explicación de esta brecha es que los mini-Neptunos se están transformando en súper-Tierras. Se teoriza que los Mini-Neptunos están protegidos por atmósferas primordiales hechas de hidrógeno y helio. El hidrógeno y el helio sobran de la formación de la estrella central, que nace de nubes de gas. Si un mini-Neptuno es lo suficientemente pequeño y está lo suficientemente cerca de su estrella, los rayos X estelares y la radiación ultravioleta pueden eliminar su atmósfera primordial durante un período de cientos de millones de años, teorizan los científicos. Esto dejaría atrás una súper Tierra rocosa con un radio sustancialmente más pequeño que, en teoría, aún podría retener una atmósfera delgada relativamente similar a la que rodea a nuestro propio planeta.

“Un planeta en la brecha tendría suficiente atmósfera para aumentar su radio, lo que le permitiría interceptar más radiación estelar y, por lo tanto, permitiría una rápida pérdida de masa”, dice Zhang. “Pero la atmósfera es lo suficientemente delgada como para perderse rápidamente. Es por eso que un planeta no permanecería en la brecha por mucho tiempo”.

Otros escenarios podrían explicar la brecha, según los astrónomos. Por ejemplo, es posible que los planetas rocosos más pequeños nunca hayan reunido envolturas de gas en primer lugar, y los mini-Neptunos podrían ser mundos de agua y no estar envueltos en gas de hidrógeno. Este último descubrimiento de dos mini-Neptunos con atmósferas que se escapan representa la primera evidencia directa que respalda la teoría de que, de hecho, los mini-Neptunos se están convirtiendo en súper-Tierras.

Firmas a la luz del sol

Los astrónomos pudieron detectar las atmósferas que escapaban al observar los mini-Neptunos cruzar frente a sus estrellas anfitrionas o transitar por ellas. Los planetas no se pueden ver directamente, pero cuando pasan frente a sus estrellas visto desde nuestro punto de vista en la Tierra, los telescopios pueden buscar la absorción de la luz de las estrellas por parte de los átomos en las atmósferas de los planetas. En el caso del mini Neptune TOI 560.01, los investigadores encontraron señales de helio. Para el sistema estelar HD 63433, el equipo encontró señales de hidrógeno en el planeta más externo que estudiaron, llamado HD 63433 c, pero no en el planeta interior, HD 63433 b.

“Es posible que el planeta interior ya haya perdido su atmósfera”, explica Zhang.

La velocidad de los gases proporciona la evidencia de que las atmósferas se están escapando. El helio observado alrededor de TOI 560.01 se mueve a una velocidad de 20 kilómetros por segundo, mientras que el hidrógeno alrededor de HD 63433 c se mueve a una velocidad de 50 kilómetros por segundo. La gravedad de estos mini-Neptunos no es lo suficientemente fuerte como para retener un gas que se mueve tan rápido. La extensión de los flujos de salida alrededor de los planetas también indica escapes de atmósferas: el capullo de gas alrededor de TOI 560.01 es al menos 3,5 veces más grande que el radio del planeta, y el capullo alrededor de HD 63433 c es al menos 12 veces el radio del planeta.

Las observaciones también revelaron que el gas perdido por TOI 560.01 fluía hacia la estrella. Las observaciones futuras de otros mini-Neptunes deberían revelar si TOI 560.01 es una anomalía o si un flujo de salida atmosférico que se mueve hacia adentro es más común.

“Como científicos de exoplanetas, hemos aprendido a esperar lo inesperado”, dice Knutson. “Estos mundos exóticos nos sorprenden constantemente con nueva física que va más allá de lo que observamos en nuestro sistema solar”.