Nuevas observaciones detalladas con las instalaciones del NOIRLab de la NSF revelan un joven exoplaneta, orbitando una joven estrella en el cúmulo de las Híades, que es inusualmente denso para su tamaño y edad. Con un “peso” de 25 masas terrestres, y ligeramente más pequeño que Neptuno, la existencia de este exoplaneta está en desacuerdo con las predicciones de las principales teorías de formación de planetas.

Las nuevas observaciones del exoplaneta, conocido como K2-25b, hechas con el telescopio WIYN de 0,9 metros en el Kitt Peak National Observatory (KPNO), un programa del NOIRLab de la NSF, el telescopio Hobby-Eberly en el Observatorio McDonald y otras instalaciones, plantean nuevas preguntas sobre las teorías actuales de formación de planetas. Se ha encontrado que el exoplaneta es inusualmente denso para su tamaño y edad, lo que plantea la pregunta de cómo llegó a existir. Los detalles de los resultados aparecen en la revista The Astronomical Journal.

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Ligeramente más pequeño que Neptuno, K2-25b orbita una estrella enana de tipo M, el tipo de estrella más común de la galaxia, en 3,5 días. El sistema planetario es miembro del cúmulo de estrellas Híades, un cúmulo cercano de jóvenes estrellas en dirección a la constelación de Tauro. El sistema tiene aproximadamente 600 millones de años, y está situado a unos 150 años luz de la Tierra.

Los planetas con tamaños entre los de la Tierra y Neptuno son compañeros comunes de las estrellas de la Vía Láctea, a pesar de que no se encuentran tales planetas en nuestro Sistema Solar. Entender cómo se forman y evolucionan estos planetas “sub-Neptuno” es una cuestión a la vanguardia de los estudios de exoplanetas.

Los astrónomos predicen que los planetas gigantes se forman primero ensamblando un modesto núcleo de hielo de roca de 5 a 10 veces la masa de la Tierra y luego envolviéndose en una masiva envoltura gaseosa de cientos de veces la masa de la Tierra. El resultado es un gigante gaseoso como Júpiter. El exoplaneta K2-25b rompe todas las reglas de este cuadro convencional: con una masa 25 veces mayor que la de la Tierra y un tamaño modesto, K2-25b es casi todo núcleo y muy poca envoltura gaseosa. Estas extrañas propiedades plantean dos rompecabezas para los astrónomos. Primero, ¿cómo hizo K2-25b para ensamblar un núcleo tan grande, muchas veces el límite de 5-10 masas terrestres predicho por la teoría? Y segundo, con su alta masa del núcleo, y la consecuente fuerte atracción gravitacional, ¿cómo evitó acumular una significativa envoltura gaseosa?

El equipo que estudia K2-25b encontró el resultado sorprendente. “K2-25b es inusual”, dijo Gudmundur Stefansson, becario postdoctoral de la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación. Según Stefansson, el exoplaneta es más pequeño en tamaño que Neptuno pero alrededor de 1,5 veces más masivo. “El planeta es denso para su tamaño y edad, en contraste con otros jóvenes planetas de tamaño sub-Neptuno que orbitan cerca de su estrella anfitriona”, dijo Stefansson. “Normalmente se observa que estos mundos tienen bajas densidades, y algunos incluso tienen extensas atmósferas en evaporación. K2-25b, con las mediciones en mano, parece tener un núcleo denso, ya sea rocoso o rico en agua, con una envoltura delgada”.

Para explorar la naturaleza y el origen de K2-25b, los astrónomos determinaron su masa y densidad. Aunque el tamaño del exoplaneta fue inicialmente medido con el satélite Kepler de la NASA, la medición del tamaño fue refinada usando mediciones de alta precisión del telescopio WIYN de 0,9 metros en el KPNO y el telescopio de 3,5 metros en el Observatorio Apache Point (APO) en Nuevo México. Las observaciones realizadas con estos dos telescopios aprovecharon una técnica simple pero efectiva que fue desarrollada como parte de la tesis doctoral de Stefansson. La técnica utiliza un ingenioso componente óptico llamado Engineered Diffuser, que puede obtenerse por unos 500 dólares. Este difusor distribuye la luz de la estrella para cubrir más píxeles en la cámara, permitiendo que el brillo de la estrella durante el tránsito del planeta sea medido con mayor precisión, y dando como resultado una medición de mayor precisión del tamaño del planeta en órbita, entre otros parámetros.

“El innovador difusor nos permitió definir mejor la forma del tránsito y, por lo tanto, limitar aún más el tamaño, la densidad y la composición del planeta”, dijo Jayadev Rajagopal, un astrónomo del NOIRLab que también participó en el estudio.

A pesar de su bajo costo, el difusor ofrece un gran rendimiento científico. “Los telescopios de menor apertura, cuando están equipados con equipos de última generación, pero de bajo costo, pueden convertirse en plataformas para programas científicos de alto impacto”, explica Rajagopal. “Se necesitará una fotometría muy precisa para explorar las estrellas anfitrionas y exoplanetas a la vez que con misiones espaciales y aperturas más grandes desde el suelo, y esto es una ilustración del papel que un telescopio de 0,9 metros de tamaño modesto puede desempeñar en ese esfuerzo”.

Gracias a las observaciones con los difusores disponibles en los telescopios WIYN de 0,9 metros y APO de 3,5 metros, los astrónomos pueden ahora predecir con mayor precisión cuándo el K2-25b transitará por delante de su estrella anfitriona. Mientras que antes los tránsitos solo podían predecirse con una precisión de tiempo de 30-40 minutos, ahora se conocen con una precisión de 20 segundos. Esta mejora es fundamental para planificar observaciones de seguimiento con instalaciones como el Observatorio Internacional Géminis y el futuro Telescopio Espacial James Webb.

Muchos de los autores de este estudio también están involucrados en otro proyecto de caza de exoplanetas en el KPNO: el espectrómetro NEID en el telescopio WIYN de 3,5 metros. El NEID permite a los astrónomos medir el movimiento de las estrellas cercanas con extrema precisión – aproximadamente tres veces mejor que la generación anterior de instrumentos de última generación – permitiéndoles detectar, determinar la masa y caracterizar exoplanetas tan pequeños como la Tierra. (Fuente: NCYT Amazings)

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