¿Qué tan grande puede ser un planeta?

Midendo los exoplanetas. Representación artísitica.
Crédito: NASA/JPL-Caltech.

Júpiter es el planeta más grande del sistema solar. En términos de masa, Júpiter eclipsa a los otros planetas. Si reunieras todos los demás planetas en una sola masa, Júpiter aún sería 2.5 veces más masivo. Es difícil subestimar cuán grande es Júpiter. Pero como hemos descubierto miles de exoplanetas en las últimas décadas, plantea una pregunta interesante sobre cómo se compara Júpiter. Dicho de otra manera, ¿qué tan grande puede ser un planeta? La respuesta es más sutil de lo que piensas.

La respuesta simple es que un planeta grande es algo demasiado pequeño para ser una estrella. La definición habitual para una estrella es que debe ser lo suficientemente grande como para fusionar hidrógeno en helio en su núcleo. Una estrella de secuencia principal es aquella en la que el calor y la presión generados por la fusión están equilibrados por el peso gravitacional de la estrella.

Las estrellas están hechas principalmente de hidrógeno y helio, y es seguro asumir que los planetas más grandes tendrían una composición similar. El Sol está hecho de aproximadamente 75 por ciento de hidrógeno y 24 por ciento de helio, siendo el otro 1 por ciento elementos más pesados. Júpiter tiene aproximadamente el 71 por ciento de hidrógeno, el 24 por ciento de helio y el 5 por ciento de otros. Así que imaginemos que cualquier planeta grande tiene tres partes de hidrógeno por una parte de helio.

Mientras no haya fusión, un gran planeta estará en un estado de equilibrio hidrostático. Eso significa que el peso de todo ese gas que intenta colapsarse sobre sí mismo está equilibrado por la presión del gas que no quiere ser exprimido. Cuanta más masa tenga, más se exprime el interior y se calienta más. Con suficiente masa, el interior se calienta lo suficiente como para que el hidrógeno comience a fusionarse en helio. Esa masa crítica es de unos 80 Júpiter. Cualquier cosa con más masa que esa debe ser una estrella.

Tamaños de planeta estimados en masa en comparación con los exoplanetas observados. 
Crédito: Chen y Kipping

Pero ese no es el mejor límite superior, porque hay objetos en el universo conocidos como enanas marrones . Estos objetos son como estrellas porque no están en equilibrio hidrostático. Sus interiores generan calor como una estrella, e incluso pueden fusionar hidrógeno en deuterio, pero no en helio. Por otro lado, las enanas marrones más pequeñas tienen superficies frías y nubladas, y se verían como un planeta. El límite inferior de masa para una enana marrón es de aproximadamente 13 masas de Júpiter.

En términos de masa, 13 masas de Júpiter es un buen límite superior. Pero cuando se trata de planetas grandes, los más masivos no son en realidad los de mayor tamaño.

A diferencia de los sólidos, que no se comprimen mucho bajo presión, los gases pueden comprimirse significativamente. Entonces, a medida que se agrega masa a un planeta gaseoso, su volumen no aumenta en la misma cantidad. Por ejemplo, Júpiter tiene tres veces la masa de Saturno pero es menos del 20 por ciento más grande en volumen. Volviendo a nuestro modelo de equilibrio hidrostático, los planetas más masivos son en realidad más pequeños que Júpiter en tamaño.

Hace unos años, Jingjing Chen y David Kipping observaron cómo el tamaño de los planetas puede variar según su masa. Descubrieron que hay un punto de transición entre los mundos de tipo Neptuno donde más masa tiende a aumentar su tamaño y los mundos de tipo Júpiter donde más masa tiende a simplemente comprimir más el gas. Ese punto crítico es aproximadamente la mitad de la masa de Júpiter, por lo que los planetas más grandes deberían tener alrededor de esa masa. Esto concuerda con la observación. El exoplaneta más grande confirmado es WASP-17b. Es aproximadamente el doble del tamaño de Júpiter, pero tiene solo el 49 por ciento de la masa de Júpiter.

Algunos de los exoplanetas más grandes, comparados. 
Crédito: NASA / ESA / Hubble.

Por supuesto, hay otros factores que entran en juego, como la composición y la temperatura. Los exoplanetas más grandes conocidos tienden a ser Júpiter calientes que orbitan cerca de su estrella. Esto significa que son mucho más cálidos y menos densos que un planeta joviano frío como Júpiter. Júpiter también tiene un núcleo rocoso denso, lo que significa que es más pequeño de lo que sería si estuviera hecho solo de hidrógeno y helio .

Pero incluso teniendo en cuenta estos factores, los planetas jovianos son claramente los planetas más grandes y masivos que pueden existir. Júpiter no es el planeta más grande del universo, pero es uno de los gigantes.

Fuente: Universe Today.

Artículo original: “How large can a planet be?“. Brian Koberlein, Universe Today. Nov. 18, 2019.

Material relacionado:

La medida del radio de un planeta viene afectada de una incertidumbre, pero que utilizando nuevas técnicas en telescopios en el infrarrojo, como el Spitzer, combinadas con los datos obtenidos de Kepler, pueden rediducirla dramáticamente. He aquí un ejemplo que ilustra el punto:

Un interesante e instructivo estudio de la relación Masa / Radio, para exoplanetas de tipo rocosos, atendiendo a sus composicines, se encuentra en el siguiente “paper”, ahora clásico, de Sara Seager, especialmente las secciones 1 (Introducción) y 4 (Resultados Numéricos) y las gráficas allí presentes, especialmente la gráfica Nº4 :

Un trabajo, publicado este año (2019), que estudia la relación Masa / Radio para planetas con radios comprendidos entre 2 y 4 radios terrestres, discutiendo sus composiciones es:

Un enfoque distinto, más general, utilizando Aprendizaje de Máquina (Machine Learning) para hallar una relación Masa-Radio de los exoplanetas, independiente del tipo de exoplaneta, se encuentra en el trabajo que acaba de publicarse:

Estudiando la relación Masa/Radio en las posibles exolunas:

Sobre las Enanas Marrones:

Esta ilustración muestra que la enana marrón promedio es mucho más pequeña que nuestro Sol y estrellas de baja masa y solo un poco más grande que el planeta Júpiter.
Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

Las Enanas Marrones y los Aficionados:

La relación entre el tamaño y la temperatura en el punto donde las estrellas terminan y comienzan las Enanas Marrones. Más información. Crédito: P. Marenfeld y NOAO / AURA / NSF.

Hemos llegado a conocer un número sustancial de enanas marrones con el advenimiento de los estudios del cielo en el infrarrojo, tales como «The Two Micron All Sky Survey  (2MASS)» y el  Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE). El descubrimiento y caracterización de enanas marrones frías en la vecindad solar es uno de los objetivos científicos principales de WISE, que tiene asociado un proyecto de Ciencia Ciudadana. El artículo siguiente lo presenta conteniendo además en su apartado “Material relacionado” una selección de recursos sobre Enanas Marrones:

Algunos ejemplos notables de Enanas Marrones:

El descubrimineto de la estrella más pequeña conocida:

Sobre los exoplanetas:

Curiosidades:

Acabamos de ver la relación Masa / Radio, en una variedad de exoplanetas, en particular aquellos de tipo rocoso. Queremos ahora analizar en ellos otra característica importante, que es la gravedad superficial que presentan.

Luke Skywalker en Tatooine, de las películas de Star Wars. 
Creditos: Disney/Lucasfilm Ltd. & TM.

¿Pueden los personajes de Star Wars caminar naturalmente independientemente del mundo en el que se encuentren? Los actores de películas de ciencia ficción generalmente caminan sobre la superficie de planetas remotos sin dificultad, es decir, como lo harían en la Tierra, sin grandes saltos o movimientos sueltos. Esto sería creíble si todos los planetas exóticos tuvieran una gravedad superficial similar a nuestra gravedad terrestre: g = 9.8 m / s2. El siguiente artículo lo analiza llegando a un resultado notable:

Del paper: F. J. Ballesteros and B. Luque. Walking on Exoplanets: Is Star Wars Right? ASTROBIOLOGY Volume 16, Number 5, 2016. DOI: 10.1089/ast.2016.1475.

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