Explicación a la brecha de los tamaños planetarios

Datos del retirado telescopio espacial Kepler de la NASA ofrecen evidencia de que hay exoplanetas que encogen porque sus núcleos están alejando sus atmósferas desde adentro hacia afuera.

Esto podría explicar porque existe una carencia de planetas con tamaños entre las super-Tierras y los sub-Neptunos, según el estudio, que se publica en The Astronomical Journal.

Los exoplanetas (planetas fuera de nuestro sistema solar) vienen en una variedad de tamaños, desde pequeños planetas rocosos hasta colosales gigantes gaseosos. En el medio se encuentran supertierras rocosas y subneptunos más grandes con atmósferas hinchadas. Pero hay una notoria ausencia (una "brecha de tamaño") de planetas que tienen entre 1,5 y 2 veces el tamaño de la Tierra (o entre las súper Tierras y los subNeptunos) que los científicos han estado trabajando para comprender mejor.

"Los científicos han confirmado ahora la detección de más de 5.000 exoplanetas, pero hay menos planetas de lo esperado con un diámetro entre 1,5 y 2 veces el de la Tierra", dijo en un comunicado la científica investigadora de Caltech/IPAC Jessie Christiansen, líder científica del Archivo de Exoplanetas de la NASA y primer autor del nuevo estudio. "Los científicos de exoplanetas tienen ahora suficientes datos para decir que esta brecha no es una casualidad. Está sucediendo algo que impide que los planetas alcancen y/o permanezcan en este tamaño".

Los investigadores creen que esta brecha podría explicarse porque ciertos subneptunos pierden sus atmósferas con el tiempo. Esta pérdida ocurriría si el planeta no tuviera suficiente masa y, por lo tanto, fuerza gravitacional para retener su atmósfera. Por lo tanto, los subneptunos que no sean lo suficientemente masivos se reducirían aproximadamente al tamaño de las súper Tierras, dejando la brecha entre los dos tamaños de planetas.

Pero sigue siendo un misterio exactamente cómo estos planetas están perdiendo sus atmósferas. Los científicos se han decidido por dos mecanismos probables: uno se llama pérdida de masa impulsada por el núcleo; y el otro, fotoevaporación. El estudio ha descubierto nueva evidencia que respalda la primera.

La pérdida de masa impulsada por el núcleo ocurre cuando la radiación emitida desde el núcleo caliente de un planeta empuja la atmósfera lejos del planeta con el tiempo, "y esa radiación empuja la atmósfera desde abajo", dijo Christiansen.

La otra explicación principal para la brecha planetaria, la fotoevaporación, ocurre cuando la atmósfera de un planeta es esencialmente arrastrada por la radiación caliente de su estrella anfitriona. En este escenario, "la radiación de alta energía de la estrella actúa como un secador de pelo sobre un cubo de hielo", dijo.

Si bien se cree que la fotoevaporación ocurre durante los primeros 100 millones de años de un planeta, se cree que la pérdida de masa impulsada por el núcleo ocurre mucho más tarde, cerca de mil millones de años de vida de un planeta. Pero con cualquiera de los mecanismos, "si no se tiene suficiente masa, no se puede aguantar, se pierde la atmósfera y se encoge", añadió Christiansen.

Para este estudio, Chistiansen y sus coautores utilizaron datos del K2 de la NASA, una misión extendida del Telescopio Espacial Kepler, para observar los cúmulos de estrellas Praesepe y Hyades, que tienen entre 600 y 800 millones de años. Debido a que generalmente se piensa que los planetas tienen la misma edad que su estrella anfitriona, los subneptunos en este sistema habrían superado la edad en la que podría haber tenido lugar la fotoevaporación, pero no lo suficientemente viejos como para haber experimentado una pérdida de masa impulsada por el núcleo.

Entonces, si el equipo viera que había muchos subneptunos en Praesepe y Hyades (en comparación con estrellas más antiguas en otros cúmulos), podrían concluir que no se había producido fotoevaporación. En ese caso, la pérdida de masa impulsada por el núcleo sería la explicación más probable de lo que les sucede a los subneptunos menos masivos con el tiempo.

Al observar Praesepe y Hyades, los investigadores descubrieron que casi el 100% de las estrellas de estos cúmulos todavía tienen un planeta subneptuno o un candidato a planeta en su órbita. A juzgar por el tamaño de estos planetas, los investigadores creen que han conservado sus atmósferas.

Esto difiere de otras estrellas más antiguas observadas por K2 (estrellas de más de 800 millones de años), de las cuales sólo el 25% tienen órbitas subneptunes. La edad más avanzada de estas estrellas está más cerca del período de tiempo en el que se cree que tiene lugar la pérdida de masa impulsada por el núcleo.

A partir de estas observaciones, el equipo concluyó que la fotoevaporación no pudo haber tenido lugar en Praesepe y Hyades. Si así fuera, habría ocurrido cientos de millones de años antes, y a estos planetas les quedaría poca o ninguna atmósfera. Esto deja a la pérdida de masa impulsada por el núcleo como la principal explicación de lo que probablemente suceda con las atmósferas de estos planetas.

El equipo de Christiansen pasó más de cinco años construyendo el catálogo de candidatos a planetas necesario para el estudio. Pero la investigación está lejos de estar completa, dijo, y es posible que la comprensión actual de la fotoevaporación y/o la pérdida de masa impulsada por el núcleo pueda evolucionar. Es probable que los hallazgos sean puestos a prueba en futuros estudios antes de que alguien pueda declarar resuelto el misterio de esta brecha planetaria de una vez por todas.