El misterio de los jupíteres calientes o qué pasaría si los planetas gigantes pudieran formarse cerca de su estrella

El descubrimiento en 1995 de 51 Pegasi b, el primer planeta extrasolar alrededor de una estrella de la secuencia principal, fue una auténtica conmoción. Simplemente, este exoplaneta no debía existir. 51 Pegasi b era una rareza astronómica, un imposible hecho realidad. Ahí teníamos un planeta gigante gaseoso como Júpiter, pero situado a una distancia ridícula de su estrella. En vez de tardar años en dar una vuelta a su sol, 51 Pegasi b tenía un periodo de traslación de unos pocos días. No es de extrañar que pronto se denominase a este tipo de planetas como ‘jupíteres calientes’, algunos con periodos de horas (!). La mera existencia de estos mundos desafiaba todo lo que creíamos saber sobre formación planetaria. Se suponía que los gigantes gaseosos se formaban lejos de su estrella para permitir la acreción de hielos, algo imposible a órbitas más próximas y cálidas. Por lo tanto, algo tenía que haber provocado que los jupíteres calientes terminasen con órbitas tan cercanas.

Representación artística de un júpiter caliente (Haven Giguere, Nikku Madhusudhan).
Representación artística de un júpiter caliente (Haven Giguere, Nikku Madhusudhan).

Muy pronto los teóricos imaginaron varios escenarios para explicar estos movimientos planetarios (de hecho, algunos de estos modelos son anteriores al descubrimiento de 51 Pegasi b, pero antes de 1995 nadie les prestó mucha atención). Actualmente existen varios modelos de migración planetaria que explican cómo es posible que un planeta gigante que se haya formado a cientos de millones de kilómetros termine junto a su estrella. La mayoría de ellos se basan en varios tipos de interacciones gravitatorias entre los planetas y el disco protoplanetario durante el proceso de formación o bien invocan interacciones entre varios planetas gigantes una vez ya formados. Pero cabe una tercera posibilidad que muchos investigadores no se atreven a formular en voz alta: ¿y si, después de todo, los jupíteres calientes se pudiesen formar cerca de su estrella?

Esta ‘herejía’ tiene como objetivo explicar la anómala distribución de planetas de gran tamaño descubiertos durante los últimos veinte años. Ahora que conocemos miles de exoplanetas podemos decir que hay varias cosas que no encajan en los modelos tradicionales de migración planetaria. Para entender cuál es el problema, lo mejor es echar un vistazo a la siguiente gráfica:

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Relación entre la masa y el periodo de planetas de gran tamaño y los posibles caminos evolutivos entre las poblaciones (Batygin et al.).

¿Qué tenemos aquí? Veamos. En el eje x tenemos el periodo de cada planeta, o lo que es equivalente, la distancia a su estrella. En el eje y se representa la masa del planeta, que, a los efectos de esta discusión, podemos suponer que varía proporcionalmente con el tamaño. Inmediatamente apreciamos tres grupos bien diferenciados. En la parte superior derecha tenemos planetas muy masivos y grandes que están lejos de sus estrellas, es decir, son equivalentes a Júpiter en nuestro sistema solar. Se trata de los llamados ‘jupíteres fríos’ por motivos obvios. En la parte superior izquierda de la gráfica se aprecian los jupíteres calientes, mundos grandes con órbitas muy cercanas, mientras que en la parte inferior vemos un tercer y numeroso grupo formado principalmente por supertierras, planetas de superficie rocosa más grandes que la Tierra.

Ahora que hemos entendido el diagrama, ¿notas algo que no cuadra? Lo primero es la falta de continuidad entre los dos grupos de gigantes gaseosos. Si los procesos de migración son válidos, deberíamos observar un continuo de planetas a distancias intermedias, pero no vemos nada parecido. Es cierto que los modelos migratorios intentan explicar este ‘hueco’ apelando a mecanismos hipotéticos relativamente sencillos, pero esto no es lo único extraño que nos revela la gráfica. El segundo misterio tiene que ver con las características de cada población de jupíteres. Y es que la mayoría de jupíteres calientes son un orden de magnitud menos masivos que los jupíteres fríos (la escala es logarítmica). Aún teniendo en cuenta procesos de pérdida de masa al acercarse a la estrella, la diferencia es ciertamente llamativa.

Por contra, a diferencia de lo que ocurre con los planetas gigantes, las supertierras se forman tanto a distancias pequeñas como grandes sin solución de continuidad (existe otro debate paralelo sobre los mecanismos de formación y migración de las supertierras, pero mejor lo dejamos para otra ocasión). Además, el telescopio espacial Kepler ha demostrado que los sistemas con planetas rocosos con órbitas cercanas son relativamente comunes. Con estos datos en mente, es muy tentador sugerir que un posible mecanismo de formación de jupíteres calientes -nadie dice que sea el único- sea a partir de supertierras con órbitas cercanas (línea azul en la gráfica). O sea, algunos -¿la mayoría?- de los jupíteres calientes no habrían migrado desde el exterior del sistema, sino que se habrían formado más o menos donde los hemos encontrado.

La evidencia empírica es muy atractiva, pero circunstancial. ¿Y qué hay de la teórica? Uno podría pensar que es imposible que se forme un jupíter caliente tan cerca de su estrella por culpa de la elevada temperatura, que impediría la acreción de hielos (agua, amoniaco, metano, etc.) necesarios para aumentar la masa del núcleo planetario y permitir que el planeta atraiga un manto gaseoso (hidrógeno y helio) lo suficientemente masivo. No obstante, los modelos teóricos más recientes (Batygin et al.) son capaces de explicar la formación de planetas gaseosos a partir de núcleos rocosos sin necesidad de apelar a la presencia de hielos. Otra cuestión problemática es el limitado suministro de materia que tendría un protojúpiter caliente, ya que los planetas situados en órbitas interiores tienen acceso a una parte más pequeña del disco protoplanetario que aquellos planetas más externos. Sin embargo, este inconveniente no tiene en cuenta que las partículas de un disco protoplanetario pueden acercarse hacia la estrella por mecanismos de acreción viscosa. Vamos, que el material del disco caería continuamente sobre el núcleo del protojúpiter caliente como maná caído del cielo. Literalmente.

(Batygin et al.).
Modelo de formación de un júpiter caliente por acreción cerca de su estrella a partir de una supertierra. En naranja la masa del gas y en nego la masa total (Batygin et al.).

Los cálculos demuestran que la formación local de jupíteres calientes es factible siempre y cuando tengamos como núcleo supertierras con una masa igual o superior a las 15 masas terrestres. Las supertierras tan masivas no son muy frecuentes, pero recordemos que los jupíteres calientes lo son todavía menos. Efectivamente, este tipo de planetas solo se da en el 0,5% – 1% de las estrellas. Su relativa abundancia en los catálogos actuales es consecuencia del sesgo de los métodos actuales de detección de exoplanetas y no porque sean muy numerosos.

Si los jupíteres calientes realmente se pueden formar a tan poca distancia de su estrella, este modelo predice que las otras supertierras del sistema que se hayan formado en las cercanías habrán sufrido perturbaciones orbitales muy concretas en función de la excentricidad del superjúpiter. Es decir, se trata de un modelo que puede ser demostrado a partir de futuras observaciones, aunque no será nada sencillo.

En su momento el descubrimiento de los primeros jupíteres calientes nos demostró que existen otros sistemas planetarios radicalmente distintos al nuestro. Ahora es posible que los procesos de formación planetaria en otras estrellas también sean muy distintos a los que tuvieron lugar en nuestro sistema solar.

Referencias:

10 Comentarios

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MortadeloMortadelo

Somos socios de un club muy exclusivista, el club de los sistemas con las tierras dentro, los júpiteres fuera y las órbitas circulares.

VipondiuVipondiu

Me pregunto si un planeta tan masivo orbitando tan cerca de su estrella provocaría algún efecto notable sobre ella. 51 Pegasi b tiene al menos la mitad de masa de Júpiter y orbita a tan solo 0,05 UA, ¿podría ser que sus campos magnéticos se “acoplaran” de alguna forma, o que la gravedad del planeta creara alguna perturbación sobre la zona de la estrella que está justo debajo?. Con la gravedad de la estrella parcialmente contrarrestada por la del planeta, esa zona sería más o menos activa, o se crearía un “bulto”, o algo por el estilo?

Francisco CentenoFrancisco Centeno

Cómo he comentado anteriormente, los modelos planetarios se basaban sólo en nuestro sistema solar, como si este fuera algo único y exclusivo, producto de nuestra creencia, como especie, de que somos la última soda del desierto. Desde 1995 recuerdo todo el revuelo creado por 51pegasi b, incluso gente qun dudó de su existencia, algo difícil de creer tal cual cuando se determinó qun la tierra giraba alrededor del sol y no al contrario. En fin siempre creemos tener la verdad absoluta con solo explorar la punta del iceberg y por eso este tipo de descubrimientos siempre golpean con fuerza el ego de nuestra especie.

HemmHemm

Estoy de acuerdo contigo. Lo que demuestra esto es que los modelos planetarios que había estaban diseñados para explicar NUESTRO sistema planetario (lógico teniendo en cuenta que solo hace 20 años pensabamos que podría ser incluso el único).
Es más que probable que la variedad que existe en los sistemas planetarios sea mucho mayor que lo que imaginamos. Cuanto más conozcamos, más variedad encontraremos.
Y no, el sistema solar no sera una rareza. Solo será uno mas de la variedad 28 bis….
La siguente puñalada a nuestro egocentrismo.

U-95U-95

Con decir que se llegó a pensar al principio que planetas como 51 Pegasi no eran gigantes de gas sino superplanetas rocosos está todo dicho.

Robert H.Robert H.

Lo que sí pienso que debe de pasar con los “jupíteres calientes” es que por efecto de la gravedad la rotación se sincronice con la traslación haciendo que sea siempre la misma cara la que mire a su estrella.

Por otro lado creo que aún nos queda mucho por descubrir y muchas sorpresas que recibir, y todas ellas nos dejaran con la sensación de que en el universo no somos ni la mota de polvo de una mota de polvo.

RaulRaul

Esto de la formacion “in situ” parece algo bastante ridículo, pero luego te pones a pensar y no resulta ser algo tan descabellado.

Después de todo los Hot Jupiter son muy raros, fruto de algún proceso de muy baja probabilidad.

Los datos dirán en el futuro si esto es correcto.

Saludos,
@ralvar314

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