Los planetas hinchados pierden atmosfera para convertirse después en súper-tierras

Los exoplanetas vienen en formas y tamaños que no se encuentran en nuestro sistema solar. Estos incluyen pequeños planetas gaseosos llamados mini-Neptunos y planetas rocosos de varias veces la masa de la Tierra llamados súper-Tierras.

Esta es una ilustración artística del mini-Neptuno TOI 560.01, ubicado a 103 años luz de distancia en la constelación de Hidra. El planeta, que orbita cerca de su estrella, está perdiendo su atmósfera hinchada y, en última instancia, puede transformarse en una súper Tierra. Créditos: OBRA: Adam Makarenko (Observatorio Keck)

Ahora, los astrónomos han identificado dos casos diferentes de planetas "mini-Neptuno" que están perdiendo sus atmósferas hinchadas y probablemente transformándose en súper-Tierras. La radiación de las estrellas de los planetas está despojando sus atmósferas, haciendo que el gas caliente escape como el vapor de una olla de agua hirviendo. Los nuevos hallazgos ayudan a pintar una imagen de cómo se forman y evolucionan mundos exóticos como estos, y ayudan a explicar una curiosa brecha en la distribución del tamaño de los planetas que se encuentran alrededor de otras estrellas.

Los mini-neptunos son versiones más pequeñas y densas del planeta Neptuno en nuestro sistema solar, y se cree que consisten en grandes núcleos rocosos rodeados por gruesas capas de gas. En los nuevos estudios, un equipo de astrónomos utilizó el Telescopio Espacial Hubble de la NASA para observar dos mini-Neptunos que orbitan HD 63433, una estrella ubicada a 73 años luz de distancia. Y utilizaron el Observatorio W. M. Keck en Hawái para estudiar uno de los dos planetas mini-Neptuno en el sistema estelar llamado TOI 560, ubicado a 103 años luz de distancia.

Sus resultados muestran que el gas atmosférico se escapa del mini-Neptuno más interno en TOI 560, llamado TOI 560.01 (también conocido como HD 73583b), y del mini-Neptuno más externo en HD 63433, llamado HD 63433c. Esto sugiere que podrían estar convirtiéndose en súper-Tierras.

"La mayoría de los astrónomos sospechaban que los mini-Neptunos jóvenes debían tener atmósferas en evaporación", dijo Michael Zhang, autor principal de ambos estudios y estudiante graduado en Caltech. "Pero nadie había atrapado uno en el proceso de hacerlo hasta ahora". El estudio también encontró, sorprendentemente, que el gas alrededor de TOI 560.01 escapaba predominantemente hacia la estrella.

"Esto fue inesperado, ya que la mayoría de los modelos predicen que el gas debería alejarse de la estrella", dijo la profesora de ciencias planetarias Heather Knutson de Caltech, asesora de Zhang y coautora del estudio. "Todavía tenemos mucho que aprender sobre cómo funcionan estos flujos de salida en la práctica".

Nuevas pistas sobre el eslabón perdido en los tipos planetarios

Desde que se descubrieron los primeros exoplanetas que orbitaban estrellas similares al Sol a mediados de la década de 1990, se han encontrado miles de otros exoplanetas. Muchos de estos orbitan cerca de sus estrellas, y los más pequeños y rocosos generalmente se dividen en dos grupos: los mini-Neptunos y las súper-Tierras. Las súper-Tierras son tan grandes como 1,6 veces el tamaño de la Tierra (y ocasionalmente tan grandes como 1,75 veces el tamaño de la Tierra), mientras que los mini-Neptunos tienen entre 2 y 4 veces el tamaño de la Tierra. Los planetas de este tipo no se encuentran en nuestro sistema solar. De hecho, se han detectado pocos planetas con tamaños entre estos dos rangos alrededor de otras estrellas.

Una posible explicación para esta diferencia de tamaño es que los mini-Neptunos se están transformando en súper-Tierras. Se teoriza que los mini-Neptunos están protegidos por atmósferas primordiales hechas de hidrógeno y helio. El hidrógeno y el helio sobrante de la formación de la estrella central, que nace de nubes de gas. Si un mini-Neptuno es lo suficientemente pequeño y está lo suficientemente cerca de su estrella, los rayos X estelares y la radiación ultravioleta pueden eliminar su atmósfera primordial durante un período de cientos de millones de años, teorizan los científicos. Esto dejaría atrás una súper Tierra rocosa con un diámetro sustancialmente más pequeño (que, en teoría, aún podría retener una atmósfera relativamente delgada similar a la que rodea a nuestro planeta Tierra).

"Un planeta en la brecha de tamaño tendría suficiente atmósfera para aumentar su radio, lo que le permitiría interceptar más radiación estelar y, por lo tanto, permitiría una rápida pérdida de masa", dijo Zhang. "Pero la atmósfera es lo suficientemente delgada como para perderse rápidamente. Es por eso que un planeta no permanecería en la brecha por mucho tiempo".

Otros escenarios podrían explicar la diferencia de tamaño, según los astrónomos. Por ejemplo, es posible que los planetas rocosos más pequeños nunca hayan reunido envolturas de gas en primer lugar, y los mini-Neptunos podrían ser mundos de agua y no estar envueltos en gas de hidrógeno. Este último descubrimiento de dos mini-Neptunos con atmósferas que se escapan representa la primera evidencia directa que apoya la teoría de que los mini-Neptunos se están convirtiendo en súper-Tierras.

Firmas a la luz del sol

Los astrónomos pudieron detectar las atmósferas que escapaban al observar los mini-Neptunos cruzar frente a sus estrellas anfitrionas o transitar por ellas. Los planetas no se pueden ver directamente, pero cuando pasan frente a sus estrellas como se ve desde nuestro punto de vista en la Tierra, los telescopios pueden buscar la absorción de la luz de las estrellas por parte de los átomos en las atmósferas de los planetas. En el caso del mini-Neptune TOI 560.01, los investigadores encontraron señales de helio. Para el sistema estelar HD 63433, el equipo encontró señales de hidrógeno en el planeta más externo que estudiaron, llamado HD 63433c, pero no en el planeta interior, HD 63433b.

"Es posible que el planeta interior ya haya perdido su atmósfera", explicó Zhang.

"La velocidad de los gases proporciona la evidencia de que las atmósferas están escapando. El helio observado alrededor de TOI 560.01 se mueve a una velocidad de 20 kilómetros por segundo, mientras que el hidrógeno alrededor de HD 63433c se mueve a una velocidad de 50 kilómetros por segundo. La gravedad de estos mini-Neptunos no es lo suficientemente fuerte como para retener un gas que se mueve tan rápido. La extensión de los flujos de salida alrededor de los planetas también indica atmósferas que escapan; el capullo de gas alrededor de TOI 560.01 es al menos 3,5 veces más grande que el radio del planeta, y el capullo alrededor de HD 63433c es al menos 12 veces el radio del planeta".

Las observaciones también revelaron que el gas perdido por TOI 560.01 fluía hacia la estrella. Las observaciones futuras de otros mini-Neptunes deberían revelar si TOI 560.01 es una anomalía o si un flujo de salida atmosférico que se mueve hacia adentro es más común.

“Como científicos de exoplanetas, hemos aprendido a esperar lo inesperado”, dijo Knutson. "Estos mundos exóticos nos sorprenden constantemente con nueva física que va más allá de lo que observamos en nuestro sistema solar".

Los hallazgos se publican en dos artículos separados en The Astronomical Journal.

Créditos: NASA, ESA, STScI, Caltech, Observatorio Keck

Contactos con los medios

Ray Villard

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland

Whitney Clavin

Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California

Mari-Ela Chock

Observatorio W. M. Keck, Mauna Kea, Hawái

Contacto científico

Miguel Zhang

Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California

Heather A. Knutson

Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California

Enlaces y documentos relacionados

• El artículo científico basado en el Hubble de M. Zhang et al. (en arXiv)
• El artículo científico basado en Keck de M. Zhang et al. (en arXiv)
• Lanzamiento del Observatorio W. M. Keck
• Lanzamiento de Caltech
• Portal Hubble de la NASA

• Publicado en NASA/Hubble el 3 de febrero del 2022, enlace publicación