Las simulaciones explican exoplanetas gigantes con órbitas excéntricas cercanas a su estrella.

Esta representación artística ilustra la colisión de dos planetas rocosos. Un nuevo estudio propone un escenario en el que las colisiones entre planetas gigantes gaseosos pueden conducir a fusiones y a la formación de gigantes gaseosos de alta masa con órbitas cercanas a su estrella anfitriona. 
Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech.

Una fase de impactos gigantes en la evolución de los sistemas planetarios puede explicar las observaciones de planetas gigantes cercanos a su estrella con órbitas excéntricas.

A medida que los sistemas planetarios evolucionan, las interacciones gravitacionales entre planetas pueden arrojar a algunos de ellos a órbitas elípticas excéntricas alrededor de la estrella anfitriona, o incluso fuera del sistema por completo. Los planetas más pequeños deberían ser más susceptibles a esta dispersión gravitacional, sin embargo, se han observado muchos exoplanetas gigantes de gas con órbitas excéntricas muy diferentes de las órbitas más o menos circulares de los planetas en nuestro propio Sistema Solar.

Órbitas con la misma distancia promedio de la estrella (“semieje mayor”) pero diferentes excentricidades e. Cuanto mayor es la excentricidad, más se extiende la órbita. 
Crédito: NASA Earth Observatory .

Sorprendentemente, los planetas con las masas más altas tienden a ser aquellos con las excentricidades más altas, a pesar de que la inercia de una masa más grande debería dificultar el desplazamiento desde su órbita inicial. Esta observación contraintuitiva llevó a los astrónomos de la Universidad de California en Santa Cruz a explorar la evolución de los sistemas planetarios utilizando simulaciones por computadora. Sus resultados, reportados en un artículo publicado en Astrophysical Journal Letters , sugieren un papel crucial para una fase de impactos gigante en la evolución de los sistemas planetarios de gran masa, lo que lleva al crecimiento por colisión de múltiples planetas gigantes con órbitas cercanas.

“Un planeta gigante no se dispersa tan fácilmente en una órbita excéntrica como un planeta más pequeño, pero si hay múltiples planetas gigantes cerca de la estrella anfitriona, es más probable que sus interacciones gravitacionales los dispersen en órbitas excéntricas”, explicó el primer autor Renata Frelikh, estudiante graduada en Astronomía y Astrofísica en la UC Santa Cruz.

Dibujo a escala de la órbita del planeta HD 20782 b (azul) en comparación con tres resultados de simulación (rojo). Las simulaciones de dispersión planeta-planeta pueden producir órbitas similares a HD 20782 b, el planeta más extremadamente excéntrico que hemos descubierto hasta ahora. Las posiciones de las estrellas están marcadas en negro.
Crédito de la imagen: Daniel Carrera.

Frelikh realizó cientos de simulaciones de sistemas planetarios, comenzando cada uno con 10 planetas en órbitas circulares y variando la masa total inicial del sistema y las masas de los planetas individuales. A medida que los sistemas evolucionaron durante 20 millones de años simulados, las inestabilidades dinámicas provocaron colisiones y fusiones para formar planetas más grandes, así como interacciones gravitacionales que expulsaron algunos planetas y dispersaron otros en órbitas excéntricas.

Analizando los resultados de estas simulaciones colectivamente, los investigadores encontraron que los sistemas planetarios con la mayor masa total inicial producían los planetas más grandes y los planetas con las excentricidades más altas.

“Nuestro modelo explica naturalmente la correlación contraintuitiva de masa y excentricidad”, dijo Frelikh.

La coautora Ruth Murray-Clay, Profesora de Astrofísica Teórica de Gunderson en UC Santa Cruz, dijo que la única suposición no estándar en su modelo es que puede haber varios planetas gigantes gaseosos en la parte interna de un sistema planetario. “Si haces esa suposición, todas las demás conductas siguen”, dijo.

Según el modelo clásico de formación de planetas, basado en nuestro propio Sistema Solar, no hay suficiente material en la parte interna del disco protoplanetario alrededor de una estrella para hacer planetas gigantes gaseosos, por lo que solo se forman pequeños planetas rocosos en la parte interna del sistema y los planetas gigantes se forman más lejos. Sin embargo, los astrónomos han detectado muchos gigantes gaseosos que orbitan cerca de sus estrellas anfitrionas. Debido a que son relativamente fáciles de detectar, estos “Júpiter calientes” representaron la mayoría de los primeros descubrimientos de exoplanetas, pero pueden ser un resultado poco común de la formación de planetas.

“Este puede ser un proceso inusual”, dijo Murray-Clay. “Estamos sugiriendo que es más probable que suceda cuando la masa inicial en el disco es alta, y que los planetas gigantes de gran masa se producen durante una fase de impactos gigantes”.

Esta fase de impactos gigantes es análoga a la etapa final en el ensamblaje de nuestro propio Sistema Solar, cuando la Luna se formó después de una colisión entre la Tierra y otro planeta. “Debido a nuestro sesgo en el Sistema Solar, tendemos a pensar que los impactos suceden en los planetas rocosos y que la expulsión ocurre en los planetas gigantes, pero hay un espectro completo de posibles resultados en la evolución de los sistemas planetarios”, dijo Murray-Clay.

Según Frelikh, el crecimiento por colisión de planetas gigantes de gran masa debería ser más eficiente en las regiones internas, porque los encuentros entre planetas en las partes externas del sistema tienen más probabilidades de provocar expulsiones que las fusiones. Las fusiones que producen planetas de alta masa deberían alcanzar su punto máximo a una distancia de la estrella anfitriona de alrededor de 3 unidades astronómicas (UA, la distancia de la Tierra al Sol), dijo.

“Predecimos que los planetas gigantes de mayor masa serán producidos por fusiones de gigantes gaseosos más pequeños entre 1 y 8 UA de sus estrellas anfitrionas”, dijo Frelikh. “Los sondeos de exoplanetas han detectado algunos exoplanetas extremadamente grandes, que se acercan a 20 veces la masa de Júpiter. Puede llevar muchas colisiones producirlos, por lo que es interesante que veamos esta fase de impactos gigantes en nuestras simulaciones”.

Además de Frelikh y Murray-Clay, los coautores del artículo incluyen a Hyerin Jang en la UC Santa Cruz y Cristobal Petrovich en la Universidad de Toronto. Este trabajo fue financiado por la National Science Foundation.

Fuente: University of California, Santa Cruz (UCSC).

Artículo original: “Simulations explain giant exoplanets with eccentric, close-in orbits“. Tim Stephens. October. 30, 2019.

Material relacionado:

Sobre los Júpiter Calientes:

El siguiente artículo contiene en el apartado “Material relacionado” un selección de recursos (artículos, links, libros, videos) sobre “Júpiter Calientes”:

Para comprender cómo y dónde se pueden formar los planetas, los astrónomos deben mirar a los extremos. Uno de los descubrimientos más exóticos en la investigación de exoplanetas ha sido de una clase de planetas conocidos como Júpiter calientes . Estos son mundos gaseosos, cientos de veces la masa de la Tierra, que orbitan a sus estrellas anfitrionas en solo unos días. Dado el papel principal que tuvo Júpiter en la configuración del Sistema Solar, es crucial comprender cómo se forman los planetas gigantes gaseosos en una variedad de entornos:

EL primer exoplaneta (51 Peg b) descubierto orbitando una estrella de tipo solar (Kepler- 452b) es un Júpiter Caliente, descubrimiento por el cual fueron galardonados sus descubridores con el Premio Nobel de Física 2019:

La detección de Júpiters Calientes orbitando muy cerca de su estrella anfitriona a diferencia de los que sucede en nuestro Sistema Solar, plantea naturalmente la pregunta:

Siguiendo ese hilo, ¿Se ha detectado alguna vez un exoplaneta con las características de Júpiter y con la misma iluminación por su estrella? Encontrar un verdadero análogo de Júpiter, es decir, un planeta en una órbita casi circular en una posición más o menos análoga a la de Júpiter en nuestro Sistema Solar, es un desafío considerablemente más difícil que la detección de un Júpiter Caliente, debido a la naturaleza de nuestros métodos de detección. David Kipping y sus colegas han descubierto lo que describen como ‘el primer análogo de Júpiter en tránsito validado’, un planeta que orbita a la enana de clase K, KIC-3239945. Kepler-167e es aproximadamente 90 por ciento del tamaño de Júpiter y orbita su estrella a casi el doble de la distancia que la Tierra orbita alrededor del Sol. Los dos artículos siguientes lo presentan:

En el artículo de hoy el proceso de acreción de Jupiter Calientes propuesto es por sucesivas colisiones y cabe preguntarse ¿Se ha identificado alguna vez una colisión de planetas en un sistema exoplanetario? El siguiente artículo presenta un caso identificado con el Observatorio aéreo SOFIA en el  sistema doble llamado BD +20 307, a unos 300 años luz de la Tierra:

Ejemplos de exoplanetas Gigantes con órbitas de excentricidad extrema:

Un equipo de investigadores ha descubierto un planeta extrasolar que cuenta con la órbita más excéntrica jamás vista, orbitando una estrella conocida como HD 20782 a unos 117 años luz de la Tierra en la constelación de Fornax:

Proyectos de Ciencia Ciudadana con exoplanetas y un resultado notable:

La observatorio espacial Kepler de la NASA fue una de las herramientas más poderosas en la búsqueda de planetas extrasolares. El conjunto de datos de Kepler no tiene precedentes y tiene una precisión fotométrica increíble. Las curvas de luz de Kepler se pusieron a disposición del público. Las computadoras del Equipo Kepler están revisando los datos, pero el Proyecto Planet Hunters  apuesta a que habrá planetas que solo se pueden encontrar a través de la notable capacidad humana para el reconocimiento de patrones:

La Guía para los Instructores del Proyecto elaborada por la NASA:

Un resultado notable surgido del Proyecto es, la primera vez que se descubre un Júpiter caliente con otros planetas muy cercanos a él. Durante mucho tiempo, no estaba claro si los Júpiter Calientes podrían tener “amigos cercanos”, ya que podrían desestabilizar las órbitas de los amigos durante la migración. Este descubrimiento abre nuevas preguntas sobre cómo se forman estos sistemas: es posible que exista más de un mecanismo de migración para los Júpiter calientes:

Luego del Fallo del Telescopio Kepler comenzó una segunda etapa de la Misión, llamada K2 culminada en Octubre de 2018, que recogió una enorme base de datos para estudiar y dio origen al Proyecto de Ciencia Ciudadana:

Un resultado importante surgido de Exoplanets Explorers es el siguiente:

Los Científicos pasarán 10 años analizando los datos de Kepler. Su sucesor TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) que ya está recogiendo datos, dio origen al proyecto de Ciencia Ciudadana sucesor de Planet Hunter:

El Proyecto de Ciencia Ciudadana para búsqueda de exoplanetas en los datos recogidos por los telescopios del Observatorio “Las Cumbres”:

Curiosidades:

El caso de los Júpiter Calientes que orbitan en sentido contrario al de su estrella anfitriona.

Algunos planetas grandes y cercanos a su estrella anfitriona, los ” Júpiter Calientes “, orbitan en la dirección opuesta a la de giro de su estrella. En realidad son bastantes. Este artículo informa hasta uno de cada cuatro.

Los planetas y sus estrellas anfitrionas se forman juntos a partir de un gran disco de gas y polvo interestelar. Esperamos que los objetos formados a partir de un solo disco giratorio orbiten en la misma dirección general. Así es como funciona en nuestro “patio trasero”: todos los objetos principales de nuestro Sistema Solar orbitan en sentido antihorario si miras hacia abajo desde el polo norte de la eclíptica. Entonces, ¿cómo tantos Júpiter calientes llegan a orbitar hacia atrás?. El siguiente artículo propone un proceso que lo explica:

Flipping Orbits. Brett Deaton. astrobites. Dec. 18, 2013.

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