Hallan un sistema binario con un exoplaneta 2 mil grados más caliente que el Sol: cómo influye en la investigación de la evolución planetaria

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

La búsqueda de exoplanetas (planetas que orbitan alrededor de estrellas situadas más allá de los límites de nuestro sistema solar) es un tema candente en astrofísica.

De los diversos tipos de exoplanetas, uno es caliente en el sentido literal: los Júpiter calientes, una clase de exoplanetas que son físicamente similares al planeta gigante gaseoso Júpiter de nuestro vecindario.

A diferencia de “nuestro” Júpiter, los Júpiter calientes orbitan muy cerca de sus estrellas, completan una órbita completa en apenas unos días o incluso horas y, como sugiere su nombre, tienen temperaturas superficiales extremadamente altas. Tienen una gran fascinación para la comunidad astrofísica. Sin embargo, son difíciles de estudiar porque el resplandor de la estrella cercana hace que sea difícil detectarlos.

Ahora, en un estudio publicado hoy en Nature Astronomy, los científicos informan del descubrimiento de un sistema formado por dos cuerpos celestes, situados a unos 1.400 años luz de distancia, que, en conjunto, ofrecen una excelente oportunidad para estudiar las atmósferas calientes de Júpiter, así como para avanzar en nuestra comprensión de la evolución planetaria y estelar.

El descubrimiento de este sistema binario –el más extremo de su tipo conocido hasta ahora en términos de temperatura– se realizó mediante el análisis de datos espectroscópicos recopilados por el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en Chile.

“Hemos identificado un objeto caliente parecido a Júpiter que orbita una estrella y que es el más caliente jamás encontrado, unos 2.000 grados más caliente que la superficie del Sol”, afirma la autora principal del estudio, la doctora Na’ama Hallakoun, investigadora postdoctoral asociada al equipo del doctor Sagi Ben-Ami en el Departamento de Física de Partículas y Astrofísica del Instituto de Ciencias Weizmann.

Añade que, a diferencia de los planetas Júpiter calientes oscurecidos por el resplandor, es posible ver y estudiar este objeto porque es muy grande en comparación con la estrella anfitriona que orbita, que es 10.000 veces más débil que una estrella normal. “Esto lo convierte en un laboratorio perfecto para futuros estudios de las condiciones extremas de los Júpiter calientes”, afirma.

El nuevo descubrimiento de Hallakoun, una ampliación de la investigación que realizó en 2017 con el profesor Dan Maoz, su asesor de doctorado en la Universidad de Tel Aviv, puede permitir obtener una comprensión más clara de los Júpiter calientes, así como de la evolución de las estrellas en sistemas binarios.

El sistema binario que Hallakoun y sus colegas descubrieron está formado por dos objetos celestes, ambos llamados “enanos”, pero que son de naturaleza muy diferente. Uno es un “enano blanco”, el remanente de una estrella similar al Sol después de haber agotado su combustible nuclear. La otra parte del par, que no es un planeta ni una estrella, es un “enano marrón”, un miembro de una clase de objetos que tienen una masa entre la de un gigante gaseoso como Júpiter y una estrella pequeña.

A las enanas marrones a veces se las llama estrellas fallidas porque no son lo suficientemente masivas como para impulsar reacciones de fusión de hidrógeno. Sin embargo, a diferencia de los planetas gigantes gaseosos, las enanas marrones son lo suficientemente masivas como para sobrevivir a la “atracción” de sus compañeras estelares.

“La gravedad de las estrellas puede hacer que los objetos que se acercan demasiado se deshagan, pero esta enana marrón es densa, con 80 veces la masa de Júpiter comprimida en el tamaño de Júpiter”, dice Hallakoun. “Esto le permite sobrevivir intacta y formar un sistema binario estable”.

Cuando un planeta orbita muy cerca de su estrella, las fuerzas diferenciales de gravedad que actúan en el lado cercano y lejano del planeta pueden hacer que los períodos orbitales y rotacionales del planeta se sincronicen. Este fenómeno, llamado “bloqueo de marea”, bloquea permanentemente un lado del planeta en una posición que mira hacia la estrella, de manera similar a cómo la Luna de la Tierra siempre mira hacia la Tierra, mientras que su llamado “lado oscuro” permanece fuera de la vista. El bloqueo de marea conduce a diferencias extremas de temperatura entre el hemisferio del “lado diurno” bombardeado por la radiación estelar directa y el otro hemisferio, el “lado nocturno”, que mira hacia afuera y recibe una cantidad mucho menor de radiación.

La intensa radiación de sus estrellas provoca temperaturas superficiales extremadamente altas en los Júpiter calientes, y los cálculos que Hallakoun y sus colegas hicieron sobre el sistema formado por una enana blanca y una enana marrón muestran lo caliente que puede llegar a estar la situación.

Analizando el brillo de la luz emitida por el sistema, pudieron determinar la temperatura superficial de la enana marrón que orbita alrededor en ambos hemisferios. Descubrieron que el lado diurno tiene una temperatura de entre 7.250 y 9.800 Kelvin (aproximadamente entre 7.000 y 9.500 Celsius), que es tan caliente como una estrella de tipo A (estrellas similares al Sol que pueden tener el doble de masa que el Sol) y más caliente que cualquier planeta gigante conocido. La temperatura del lado nocturno, por otro lado, está entre 1.300 y 3.000 Kelvin (aproximadamente entre 1.000 y 2.700 Celsius), lo que resulta en una diferencia de temperatura extrema de unos 6.000 grados entre los dos hemisferios.

Hallakoun afirma que el sistema que ella y sus colegas descubrieron ofrece una oportunidad para estudiar el efecto de la radiación ultravioleta extrema en las atmósferas planetarias.

Dicha radiación desempeña un papel importante en una variedad de entornos astrofísicos, desde las regiones de formación de estrellas, pasando por los discos de gas primordiales a partir de los cuales se forman los planetas alrededor de las estrellas, hasta las atmósferas de los propios planetas. Esta intensa radiación, que puede provocar la evaporación de gases y la ruptura de moléculas, puede tener un impacto significativo tanto en la evolución estelar como en la planetaria. Pero eso no es todo.

“Apenas ha pasado un millón de años desde la formación de la enana blanca en este sistema –una cantidad minúscula de tiempo en la escala astronómica– y hemos podido echar un vistazo poco común a los primeros días de este tipo de sistema binario compacto”, afirma Hallakoun. Añade que, si bien la evolución de las estrellas individuales es bastante conocida, la evolución de los sistemas binarios en interacción todavía se comprende poco.

“Los Júpiter calientes son la antítesis de los planetas habitables: son lugares sumamente inhóspitos para la vida. Las futuras observaciones espectroscópicas de alta resolución de este sistema similar a Júpiter caliente (que idealmente se realizarán con el nuevo telescopio espacial James Webb de la NASA) pueden revelar cómo las condiciones cálidas y altamente irradiadas afectan la estructura atmosférica, algo que podría ayudarnos a comprender los exoplanetas en otras partes del universo”, concluye Hallakoun.

Los participantes del estudio también incluyeron al Prof. Dan Maoz de la Universidad de Tel Aviv; la Dra. Alina G. Istrate y el Prof. Gijs Nelemans de la Universidad de Radboud (Países Bajos); el Prof. Carles Badenes de la Universidad de Pittsburgh; Dr. Elmé Breedt de la Universidad de Cambridge; el Prof. Boris T. Gänsicke y el fallecido Prof. Thomas R. Marsh de la Universidad de Warwick; Prof. Saurabh W. Jha de la Universidad de Rutgers; el Prof. Bruno Leibundgut y el Dr. Ferdinando Patat del Observatorio Europeo Austral; Dr. Filippo Mannucci del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF); y el Prof. Alberto Rebassa-Mansergas de la Universidad Politécnica de Cataluña.

La investigación del Dr. Sagi Ben-Ami, titular de la Cátedra de Desarrollo Profesional de Aryeh e Ido Dissentshik, cuenta con el apoyo del Premio Peter y Patricia Gruber; la Fundación Azrieli; el Instituto André Deloro de Investigación Avanzada en Espacio y Óptica; y el Instituto de Liderazgo de la Familia Willner para el Instituto de Ciencias Weizmann.