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ZAPPING 0271, 04-jul-2005
El exoplaneta más bizarro
por Eduardo J. Carletti

Hace menos de diez años, los nuevos descubrimientos de planetas extrasolares eran recibidos con espacios en la primeras planas y con grandes títulos. Ahora, habiéndose encontrado casi 160 exoplanetas, se necesita algo especial para atraer la atención.

Un consorcio internacional de astrónomos americanos, japoneses y chilenos acaba de anunciar un planeta muy especial. El grupo hizo conocer el descubrimiento del planeta más extraño que se ha encontrado hasta ahora: un objeto con un contenido de elementos pesados que puede ascender a entre 65 y 70 veces la masa de la Tierra.


Un planeta fuera de lo común.

Este nuevo cuerpo —no confundir con otro planeta posiblemente rocoso que fue anunciado hace dos semanas, que tiene una masa mucho más baja— es de una nueva especie. Contiene tantos elementos pesados (más pesados que el hidrógeno y el helio), o quizás más, que lo que contienen —juntos— todos los planetas y asteroides de nuestro Sistema Solar.

Los astrónomos asumen que virtualmente todos los exoplanetas del tipo gigante gaseoso que se han encontrado hasta la fecha son como Júpiter y Saturno, que tienen una cuarta parte de sus masas constituida en su mayor parte por elementos pesados como oxígeno, silicio, carbono e hierro. Pero parece que el contenido de materia pesada del nuevo planeta es de la mitad —o incluso dos tercios— del total.

"Este objeto es único incluso dentro del parque zoológico de extraños planetas que se han encontrado hasta ahora", dijo Alan Boss, de la institución Carnegie de Washington.

El planeta se mueve en órbita alrededor de la estrella HD 149026, de tipo G0 IV, que se encuentra a unos 260 años luz de la Tierra. La estrella —de magnitud 8,2— es fácilmente visible con un telescopio pequeño (o incluso con prismáticos) a un par de grados al noroeste del racimo globular M13 en Hércules, alto en este momento en el cielo de la tarde del hemisferio norte. La estrella es un poco más grande, más brillante y con más masa que el Sol, y está comenzando a evolucionar hacia fuera de la secuencia principal, lo que la llevará a convertirse en una gigante roja.


Un hallazgo muy especial

La historia del descubrimiento comenzó cuando a Debra A. Fischer, líder del equipo científico de la universidad estatal de San Francisco, y a sus colegas, les llamó la atención el alto contenido de elementos pesados de la estrella. Se ha visto que las estrellas de esta clase son las que presentan mayor probabilidad de ser anfitrionas de planetas detectables.


Interpretación de un artista del planeta en tránsito. La interpretación de este artista muestra el tamaño de HD 149026b cuando cruza la cara de su estrella. Sólo bloquea 1/330 de la luz de la estrella. Pintura de Lynette Cook.

En julio 2004 Bun'ei Sato (de la universidad de Kobe, Japón) midió varias veces la velocidad radial de la estrella con el telescopio Subaru de 8,2 metros, en Hawaii. Estas observaciones revelaron un bamboleo, probablemente inducido por un planeta en órbita a su alrededor.

Observaciones realizadas por Geoffrey W. Marcy (de la Universidad de California en Berkeley) y sus colegas en febrero y abril de 2005 en el observatorio Keck en Hawaii confirmaron que existe un planeta que circunda la estrella muy rápidamente: cada 2,877 días. En base a la intensidad de su tirón gravitatorio sobre la estrella, el planeta, que fue nombrado HD 149026b, debía tener como mínimo una masa de unas 115 Tierras, ó 0,36 de la de Júpiter.

Entonces se produjo un descubrimiento. Durante la madrugada del 11 de mayo, Gregory W. Henry (de la universidad estatal de Tennessee) siguió la estrella con un telescopio robótico de 0,8 metros del observatorio de Fairborn en Arizona. Henry midió una disminución de 0,003 en la magnitud del brillo de la estrella (un 0,3 por ciento) que duró tres horas, exactamente el tiempo de tránsito del planeta frente a la estrella si su plano orbital estuviese en línea con nuestra visión. Las siguientes observaciones, repetidas durante tres noches, confirmaron los tránsitos. Éste es el octavo exoplaneta que se ha descubierto al cruzar por delante de su estrella.


Esquema del tránsito frente a la estrella.

Los tránsitos fueron la llave para abrir nuestro conocimiento de la naturaleza física del planeta. La pequeña cantidad de disminución del brillo estelar produjo asombro en los miembros del equipo. Contaban con un planeta del tamaño de Júpiter, pero la reducida disminución de brillo indica que el diámetro del planeta es de sólo un 72 por ciento del de Júpiter. Y debido al tránsito, los astrónomos saben que la inclinación de la órbita del planeta está orientada de tal modo que, prácticamente, muestra su borde sobre la línea de nuestra visión. Esta fortuita alineación le indica a los astrónomos que la masa mínima que se ha medido a partir del bamboleo de la estrella debe ser la masa verdadera.

Sabiendo la masa y el tamaño del planeta, los astrónomos calcularon con facilidad su densidad media: 1,4 veces la del agua. Los otros siete exoplanetas que se detectaron por su tránsito tienen diámetros considerablemente mayores y densidades más bajas. "Los otros planetas en tránsito claramente son más que nada de hidrógeno y helio", dijo Gregory P. Laughlin, miembro del equipo de la universidad de California en Santa Cruz.


¿Qué nos dice esto?

En el Sistema Solar, Saturno es el planeta que posee la masa más parecida a la del nuevo hallazgo: tiene 95 masas terrestres, pero la densidad de HD 149026b es 1,7 veces mayor. Por otra parte, en lugar de ser un planeta helado como Saturno, al estar tan cerca de su estrella debe estar asándose a las brasas. Dado que Saturno tiene un 25 por ciento de elementos pesados y quizás posee un núcleo con una masa de unas 20 Tierras, los teóricos creen que para explicar el tamaño y la gran densidad del nuevo planeta éste tiene que poseer entre la mitad a dos tercios de elementos pesados en su composición. Es probable que entre este material haya roca, metales y compuestos tales como agua, metano y amoníaco, lo que los astrónomos planetarios llaman "hielos".


Cutaways comparó los modelos de los Júpiter interiores y el interior de HD 149026b. En realidad, los elementos pesados se pueden diseminar en parte en la capa externa siguiente en lugar de estar concentrados en un núcleo, según se demuestra aquí. Diagrama de Sky and Telescope; datos de Gregory Laughlin.

Un modelo del interior de los planetas desarrollado por Peter Bodenheimer (universidad de California en Santa Cruz) predice que HD 149026b posee un denso núcleo de 65 a 70 masas terrestres, rodeado quizás por una capa de agua líquida altamente comprimida, una capa de hidrógeno y de helio bajo tales presiones que éstos se comportan como metales líquidos, y una gruesa atmósfera, primariamente de hidrógeno y helio. Cálculos independientes realizados por el equipo de Mark Marley y Jonathan Fortney (del centro Ames de investigación de la NASA) y de Didier Saumon (laboratorio nacional de Los Alamos) arrojan una conclusión similar. Pero como señala Bodenheimer, "no es necesario que todos los elementos pesados estén en el núcleo. Algo del material podría estar diseminado en la envoltura gaseosa, como en el caso de Júpiter. Pero en todos los casos es necesario que una gran fracción del total sea de elementos pesados para explicar el pequeño radio".

HD 149026b no es un lugar para visitar. La gravedad superficial en la superficie del núcleo podría ser de hasta 10 g, y la presión y la temperatura juntas convertirían enseguida a un ser humano en un charco orgánico. Una persona no la pasaría mejor en las nubes altas, donde la proximidad a la estrella —de alrededor de 0,042 la distancia media Tierra-Sol— lleva la temperatura a unos abrasadores 1.270° C.


Se comparan dos modelos posibles del interior del nuevo planeta con los del interior de Saturno y Neptune. Un modelo del nuevo planeta asume un núcleo compuesto solamente de roca, y el otro sólo de "hielos". Diagrama de Sky & Telescope; datos Jonathan Fortney.

Los teóricos están luchando para entender cómo puede ser que un planeta haya acumulado tanta cantidad de material en elementos pesados. HD 149026b se formó, probablemente, cuando pequeños planetesimales chocaron en el disco que rodeaba la estrella durante su "infancia", acumulando un gran cuerpo rocoso que atrajo más del material circundante. Sin embargo, como señala Alan Boss, "nunca he visto modelos de acreción del núcleo que predigan la formación de una bestia así. Sospecho que la gente que estudia esto se estará rascando las cabezas por un buen tiempo hasta saber cómo se puede haber formado esta cosa". Saumon agrega, "yo creo que nadie tiene todavía un mecanismo plausible para la formación de este nuevo planeta".

La propia estrella tiene una concentración de elementos pesados de 2,3 veces la del Sol, así que su nebulosa protoplanetaria debe haber estado repleta de material para construir núcleos y planetas. Pero los modelos predicen que los planetas con núcleos así de masivos también arrastrarán con rapidez enormes cantidades de gas desde el disco, formando versiones sobredimensionadas de Júpiter o Saturno. Este planeta tiene, comparativamente, poca cantidad de gases.

"Este planeta es cierta clase de híbrido entre Júpiter/Saturno y Urano/Neptuno", dice Fortney. Él señala que la mayoría de la masa de Júpiter y de Saturno se compone de hidrógeno/helio, mientras que la mayor parte de la masa de Urano y de Neptuno está en sus núcleos de roca e hielo. Como otros planetas masivos cercanos a su sol, HD 149026b se formó mucho más lejos de su estrella y emigró, probablemente, hacia el interior debido al efecto de fricción gravitacional que se espera que exista en un disco protoplanetario.

Laughlin especula que la alta concentración de elementos pesados podría ser resultado de dos o más planetas que chocaron. Si es así, es probable que la colisión se haya producido sobre el plano orbital de HD 149026b, fuera del plano ecuatorial de la estrella.

Una observación de tránsito que se realizó recientemente con el telescopio Keck, el 25 de junio, y que está siendo analizada por Marcy y sus colegas, busca determinar la posición del eje de rotación de la estrella con respecto a la órbita del planeta.

"Otra posibilidad es que este objeto haya emigrado hacia el interior con rapidez y haya acumulado el material sólido que ingresaba al disco", dice Laughlin. Marley sugiere, "quizás este objeto se formó en una región de la nebulosa pobre en gas y pudo acumular un núcleo masivo. Estoy seguro de que oiremos muchas teorías".

Tristan Guillot (del observatorio de Cote D'Azur, Francia) señala que a diferencia de los planetas que residen lejos de la potente gravedad de sus estrellas, los planetas cercanos como HD 149026 no pueden expulsar cuerpos rocosos pequeños de sus sistemas planetarios. Gran cantidad de cuerpos pequeños que se aproximan deben caer, eventualmente, sobre los planetas interiores, agregando elementos pesados a su contenido. "Hay maneras de formar esta clase de bestias", dice Guillot.


¿Un blanco para los aficionados?

HD 149026b presenta un blanco tentador para astrónomos aficionados avanzados que posean cámaras fotográficas CCD capaces de hacer fotometría de precisión. Los aficionados ya han detectado anteriormente los tránsitos de dos exoplanetas más lejanos, que se mueven en órbita alrededor de las estrellas HD 209458 en Pegasus y TrES-1 en Lyra. Pero como Laughlin señala, los tránsitos del nuevo planeta serán más difíciles de registrar; la cantidad de disminución del brillo estelar es de sólo un quinto de las que se producen en HD 209458 y TrES-1.


Una carta para encontrar la estrella de octava magnitud HD 149026 en Hércules.

Haciendo más difícil la cosa, no hay buenas estrellas de referencia con un brillo comparable en el campo visual de HD 149026, lo que hace más difícil lograr una fotometría de precisión.

"Detectar este tránsito será un excitante desafío para los aficionados, y pienso que podrán hacerlo", dice Laughlin, que ha organizado la red global de aficionados Transitsearch.org para buscar tránsitos de exoplanetas. Laughlin agrega que los aficionados tendrán que mejorar sus técnicas para detectar los acontecimientos de HD 149026b, pero esta capacidad será de gran beneficio para cuando realicen otras búsquedas.

Las observaciones amateurs del tránsito podrían ayudar a refinar el período orbital exacto, lo que permitirá que los profesionales programen el momento más perfecto para observar la estrella con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer y así intentar la detección de otras características del planeta, tales como su temperatura y si tiene anillos o una atmósfera extensa. Los telescopios profesionales terrestres continuarán supervisando la estrella para ver si aloja más planetas, aún desconocidos.

La naturaleza inusual e inesperada de HD 149026b destaca el hecho de que aparte de los ocho exoplanetas conocidos que transitan frente a sus estrellas, los astrónomos en realidad saben muy poco sobre los otros 150 o más cuerpos detectados, con excepción de sus órbitas y masas mínimas. "Esta detección ciertamente aumenta la posibilidad de que algunos de estos planetas que no transitan puedan resultar diferentes en estructura a lo esperado", dice Debra Fischer.

El artículo científico sobre el descubrimiento que ha realizado su equipo fue aceptado para la publicación en Astrophysical Journal. El equipo también ha instalado un sitio web con mucha información sobre el hallazgo.

"Todavía debemos verificar los datos; hay un posibilidad remota de que la estimación del radio sea incorrecta ", advierte Adam Burrows, de la universidad de Arizona. Él señala que sólo se ha observado un puñado de tránsitos y que éstos tienen una relación señal-ruido relativamente baja. "Pero si los datos son correctos, es uno de los objetos más interesantes entre los 160 exoplanetas conocidos".

MÁS DATOS:

One Big Ball of Rock
New Type of Exoplanet: A Hybrid Earth-Uranus
Searching the Next 2000 Stars for Hot Jupiters

(Traducido, adaptado y ampliado por Eduardo J. Carletti de Sky and Telescope y de otros sitios de Internet)


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