Nuevo planeta descubierto es demasiado grande para su pequeña estrella

 Este mundo casi del tamaño de Neptuno orbita cerca de una estrella muy pequeña y desafía las teorías sobre la formacion de planetas.

La luz de la enana M LHS 3154 se dispersa fuera del planeta del tamaño de Neptuno LHS 3154 b según el concepto del artista. Crédito: Penn State University

En los anales de la búsqueda de planetas, el hallazgo más reciente de los astrónomos es un poco confuso: un exoplaneta gigante que orbita estrechamente una estrella tan pequeña, el cual hace difícil entender cómo la estrella pudo haberla creado. El planeta, denominado LHS 3154 b y del cual se tuvo conocimiento hoy en Science, inclina la balanza a 13,2 veces o más la masa de la Tierra, poniéndolo aproximadamente a la par con las 17,2 masas terrestres de Neptuno. Sin embargo, su estrella anfitriona tiene solo el 11 por ciento de la masa del Sol.

«Antiguamente, se pensaba que "No, no hay forma de que las estrellas de menor masa puedan formar este tipo de planetas" », comenta Guðmundur Stefánsson, astrofísico y becario postdoctoral de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey y primer autor del artículo. «Ahora por lo menos hay una prueba del concepto de que pueden formarlos».

El descubrimiento de LHS 3154 b

Stefánsson y sus colegas encontraron el planeta con el telescopio Hobby-Eberly de 10 metros del Observatorio McDonald en Texas mientras inspeccionaban estrellas de muy baja masa. El equipo tenía a su disposición un nuevo espectrógrafo de infrarrojo cercano llamado Habitable-zone Planet Finder. A principios de 2020, comenzaron a observar la estrella LHS 3154, clasificada como una enana M (el tipo de estrella espectral menos masiva). Pronto observaron indicios de un cambio periódico en su espectro cada 3,7 días, una señal indicativa de que la fuerza gravitacional de algún planeta en una órbita cercana estaba causando que la estrella se oscilara.

«Pensamos: "Está bien, esto es muy interesante", y empezamos a profundizar aún más"», comenta Stefánsson.

Para confirmar que la aparente oscilación era real, el equipo recurrió a un par de observatorios espaciales. Por medio de mediciones de brillo a largo plazo de la estrella del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS, por sus siglas en inglés) de la NASA, confirmaron que la señal no era un falso positivo debido a que habían manchas estelares o llamaradas. Adicionalment, el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea y sus mediciones precisas de la posición de la estrella a lo largo del tiempo significaron que el equipo pudo verificar que la oscilación fue causada por un cuerpo del tamaño de un planeta y no por otra estrella.

Según el cálculo final, LHS 3154 b pesa un 0,35 por ciento de la masa de su estrella anfitriona. Puede que no parezca mucho, pero entre los planetas que orbitan sus estrellas en menos de 10 días, es más del doble de la proporción de cualquier otro sistema conocido. (Para una comparación más cercana, la masa de Júpiter representa menos del 0,1 por ciento de la masa del Sol).

El tamaño relativo de LHS 3154 b en comparación con su estrella anfitriona es mucho mayor que el de la Tierra en comparación con el Sol. Este gráfico muestra los tamaños relativos de los cuerpos a escala, aunque no las distancias orbitales. Crédito: Penn State University

Ajuste del polvo

Debido a que los planetas se forman junto a sus estrellas a partir del mismo disco de material, los astrónomos han asumido durante mucho tiempo que las estrellas de baja masa también tienden a formar planetas de baja masa. Y hasta este momento, las observaciones parecían confirmarlo. Otras enanas M conocidas por albergar planetas tienen una serie de pequeños mundos rocosos que se cree que emergen cuando los fragmentos sólidos se agrupan para formar el núcleo de un planeta. El ejemplo más famoso de tal sistema es TRAPPIST-1, hogar de siete planetas conocidos del tamaño de la Tierra. Pero LHS 3154 b «es una bestia muy diferente, donde hay un solo planeta grande en lugar de muchos planetas más pequeños», dice Stefánsson.

Existen casos de planetas gigantes alojados en estrellas de baja masa, pero son mucho más grandes que LHS 3154 b y orbitan a distancias mucho mayores. Probablemente se formaron de manera diferente, cuando una aglomeración de material colapsó bajo su propia gravedad, parecidos a una versión en miniatura de cómo se forma una estrella.

Stefánsson relata que él y sus colegas consideraron brevemente si LHS 3154 b podría haberse formado en un sistema estelar diferente, haber sido expulsado y posteriormente capturado por su estrella anfitriona actual. Pero es casi seguro que esto habría resultado en una órbita muy elíptica y no en la órbita circular que tiene hoy en día.

Al comienzo, esto provoco que el equipo tuviera dificultades para explicar LHS 3154 b. «Estábamos realmente aproblemados, entonces dijimos "OK, ¿cómo podemos realmente formar este tipo de planeta?"» dice Stefánsson.

Durante su investigación, el equipo recurrió a simulaciones de formación de planetas, especialmente del escenario de acumulación de núcleos. Comenzaron ajustando los diversos parámetros del modelo para que coincidieran con las observaciones de protoestrellas de baja masa. Esto fue un fracaso: después de 300 ejecuciones, el modelo no pudo producir ningún planeta de más de 10 masas terrestres en una órbita estrecha de menos de 10 días.

A continuación, el equipo intentó jugar con los ingredientes iniciales dentro del disco, variando la proporción de gas y polvo. «Eso no ayudó a cambiar demasiado las cosas», comenta Stefánsson.

Lo que funcionó fue aumentar masivamente la cantidad de polvo en el disco protoplanetario, por un factor de 10. Hacer que el disco sea más denso y compacto también ayudó, pero eso no produjo ningún planeta como LHS 3154 b a menos que el polvo fuera ajustado en primer lugar. «Eso también depende un poco de la intuición», dice Stefánsson. «Lo que realmente estamos haciendo es, para empezar, aumentar el inventario disponible de material del que estos tipos de planetas pueden formarse».

El problema de la falta de masa

Pero esto nos lleva a otra pregunta: ¿por qué no vemos todo este polvo en nuestras observaciones? LHS 3154 no es el primer sistema en aumentar el espectro de una tendencia de «masa faltante» en los discos protoplanetarios, aunque es «una especie de ejemplo extremo», comenta Stefánsson.

El equipo tiene algunas ideas. Tal vez, a medida que el polvo se acumula, crece hasta tamaños de solo centimetros que los telescopios actuales no son capaces de detectar. O tal vez los discos se repongan al extraer polvo de la nube de material mucho más grande que los rodea. Una tercera posibilidad es que los núcleos planetarios se formen más rápidamente de lo que esperamos, de modo que, para cuando los observamos, ya han engullido la mayor parte del polvo en el disco. Bien podría ser una combinación de las tres explicaciones, escribe Frédéric Masset, astrónomo de la Universidad Nacional Autónoma de México en Cuernavaca en un ensayo que acompaña al artículo en Science.

En cualquier caso, cuando observamos imágenes de discos protoplanetarios, parece que hay más polvo —y potencial de creación de planetas— de lo que se ve a simple vista.

 Fuente: This newfound planet seems way too big for its tiny star