21.5: Exoplanetas en todas partes - Lo que estamos aprendiendo

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Explicar lo que hemos aprendido de nuestro descubrimiento de exoplanetas
• Identificar qué tipo de exoplanetas parecen ser los más comunes en la Galaxia
• Discutir los tipos de sistemas planetarios que estamos encontrando alrededor de otras estrellas

Antes del descubrimiento de exoplanetas, la mayoría de los astrónomos esperaban que otros sistemas planetarios fueran muy parecidos a los nuestros: planetas que seguían órbitas aproximadamente circulares, con los planetas más masivos varios AU de su estrella madre. Tales sistemas existen en grandes cantidades, pero muchos exoplanetas y sistemas planetarios son muy diferentes a los de nuestro sistema solar. Otra sorpresa es la existencia de clases enteras de exoplanetas que simplemente no tenemos en nuestro sistema solar: planetas con masas entre la masa de la Tierra y Neptuno, y planetas que son varias veces más masivos que Júpiter.

Resultados de Kepler

El telescopio Kepler ha sido el responsable del descubrimiento de la mayoría de los exoplanetas, especialmente en tamaños más pequeños, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\), donde los descubrimientos de Kepler se trazan en amarillo. Se puede ver la amplia gama de tamaños, incluyendo planetas sustancialmente más grandes que Júpiter y más pequeños que la Tierra. La ausencia de exoplanetas descubiertos por Kepler con periodos orbitales superiores a unos pocos cientos de días es consecuencia de los 4 años de vida de la misión. (Recuerde que se deben observar tres tránsitos uniformemente espaciados para registrar un descubrimiento). En los tamaños más pequeños, la ausencia de planetas mucho más pequeños que un radio terrestre se debe a la dificultad de detectar tránsitos por planetas muy pequeños. En efecto, el “espacio de descubrimiento” para Kepler se limitó a planetas con periodos orbitales inferiores a 400 días y tamaños mayores que Marte.

Figura\(\PageIndex{1}\) Exoplaneta Descubrimientos hasta 2015. El eje vertical muestra el radio de cada planeta en comparación con la Tierra. Las líneas horizontales muestran el tamaño de la Tierra, Neptuno y Júpiter. El eje horizontal muestra el tiempo que tarda cada planeta en hacer una órbita (y se da en días terrestres). Recordemos que Mercurio tarda 88 días y la Tierra tarda un poco más de 365 días en orbitar el Sol. Los puntos amarillos y rojos muestran planetas descubiertos por tránsitos, y los puntos azules son los descubrimientos por la técnica de velocidad radial (Doppler).

Uno de los principales objetivos de la misión Kepler era averiguar cuántas estrellas albergaban planetas y sobre todo estimar la frecuencia de los planetas terrestres. Aunque Kepler miró solo una fracción muy pequeña de las estrellas en la Galaxia, el tamaño de la muestra era lo suficientemente grande como para sacar algunas conclusiones interesantes. Si bien las observaciones se aplican únicamente a las estrellas observadas por Kepler, esas estrellas son razonablemente representativas, por lo que los astrónomos pueden extrapolar a toda la Galaxia.

La figura\(\PageIndex{2}\) muestra que los descubrimientos de Kepler incluyen muchos planetas rocosos del tamaño de la Tierra, mucho más que los planetas de gas del tamaño de Júpiter. Esto inmediatamente nos dice que el descubrimiento Doppler inicial de muchos Júpiter calientes fue una muestra sesgada, en efecto, encontrando los sistemas planetarios extraños porque eran los más fáciles de detectar. Sin embargo, existe una gran diferencia entre esta distribución de tamaño observada y la de los planetas en nuestro sistema solar. Los planetas más comunes tienen radios entre 1.4 y 2.8 el de la Tierra, tamaños para los cuales no tenemos ejemplos en el sistema solar. Estos han sido apodados Super-Tierras, mientras que el otro grupo grande con tamaños entre 2.8 y 4 los de la Tierra a menudo se llaman mini-Neptunes.

Figura\(\PageIndex{2}\) Kepler Descubrimientos. Este gráfico de barras muestra el número de planetas de cada rango de tamaño que se encuentran entre los primeros 2213 descubrimientos de planetas Kepler. Los tamaños van desde la mitad del tamaño de la Tierra hasta 20 veces el de la Tierra. En el eje vertical, se puede ver la fracción que cada rango de tamaño compone del total. Tenga en cuenta que los planetas que están entre 1.4 y 4 veces el tamaño de la Tierra constituyen las fracciones más grandes, sin embargo este rango de tamaño no está representado entre los planetas de nuestro sistema solar.

Qué descubrimiento tan notable es que los tipos más comunes de planetas en la Galaxia están completamente ausentes de nuestro sistema solar y se desconocían hasta el levantamiento de Kepler. No obstante, recordemos que los planetas realmente pequeños eran difíciles de encontrar para los instrumentos Kepler. Entonces, para estimar la frecuencia de exoplanetas del tamaño de la Tierra, necesitamos corregir este sesgo de muestreo. El resultado es la distribución corregida del tamaño que se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Observe que en esta gráfica, también hemos dado el paso de mostrar no el número de detecciones Kepler sino el número promedio de planetas por estrella para estrellas de tipo solar (tipos espectrales F, G y K).

\(\PageIndex{3}\)Tamaño de Figura Distribución de Planetas para Estrellas Similares al Sol. Mostramos el número promedio de planetas por estrella en cada rango de tamaño de planeta. (El promedio es menor a uno porque algunas estrellas tendrán cero planetas de ese rango de tamaño). Esta distribución, corregida por sesgos en los datos de Kepler, muestra que los planetas del tamaño de la Tierra pueden ser en realidad el tipo más común de exoplanetas.

Vemos que los tamaños de planeta más comunes son aquellos con radios de 1 a 3 veces el de la Tierra, lo que hemos llamado “Tierras” y “Supertierras”. Cada grupo ocurre en aproximadamente un tercio a un cuarto de las estrellas. En otras palabras, si agrupamos estos tamaños juntos, ¡podemos concluir que hay casi uno de esos planetas por estrella! Y recuerden, este censo incluye principalmente planetas con periodos orbitales menores a 2 años. Aún no sabemos cuántos planetas por descubrir podrían existir a mayores distancias de su estrella.

Para estimar el número de planetas del tamaño de la Tierra en nuestra Galaxia, debemos recordar que hay aproximadamente 100 mil millones de estrellas de tipos espectrales F, G y K. Por lo tanto, estimamos que hay alrededor de 30 mil millones de planetas del tamaño de la Tierra en nuestra Galaxia. Si incluimos también a las Supertierras, entonces podría haber cien mil millones en toda la Galaxia. Esta idea, que los planetas de aproximadamente el tamaño de la Tierra son tan numerosos, es seguramente uno de los descubrimientos más importantes de la astronomía moderna.

Planetas con Densidades Conocidas

Para varios cientos de exoplanetas, hemos podido medir tanto el tamaño del planeta a partir de datos de tránsito como su masa a partir de datos Doppler, produciendo una estimación de su densidad. Comparar la densidad promedio de los exoplanetas con la densidad de los planetas en nuestro sistema solar nos ayuda a entender si son de naturaleza rocosa o gaseosa. Esto ha sido particularmente importante para comprender la estructura de las nuevas categorías de supertierras y mini-Neptunes con masas entre 3 y 10 veces la masa de la Tierra. Una observación clave hasta ahora es que los planetas que tienen más de 10 veces la masa de la Tierra tienen envolturas gaseosas sustanciales (como Urano y Neptuno) mientras que los planetas de menor masa son predominantemente rocosos por naturaleza (como los planetas terrestres).

La figura\(\PageIndex{4}\) compara todos los exoplanetas que tienen mediciones de masa y radio. La dependencia del radio de la masa planetaria también se muestra para algunos casos ilustrativos: planetas hipotéticos hechos de hierro puro, roca, agua o hidrógeno.

Figura\(\PageIndex{4}\) Exoplanetas con Densidades Conocidas. Los exoplanetas con masas y radios conocidos (círculos rojos) se trazan junto con líneas continuas que muestran el tamaño teórico de los planetas de hierro puro, roca, agua e hidrógeno con masa creciente. Las masas se dan en múltiplos de la masa de la Tierra. (A modo de comparación, Júpiter contiene suficiente masa para hacer 320 Tierras.) Los triángulos verdes indican planetas en nuestro sistema solar.

A masas más bajas, observe que a medida que aumenta la masa de estos hipotéticos planetas, el radio también aumenta. Eso tiene sentido: si estuvieras construyendo un modelo de planeta con arcilla, tu planeta de juguete aumentaría de tamaño a medida que agregaras más arcilla. Sin embargo, para los planetas de mayor masa (M > 1000\(M_{\text{Earth}}\)) en la Figura\(\PageIndex{3}\), observe que el radio deja de aumentar y los planetas con mayor masa son en realidad más pequeños. Esto ocurre porque aumentar la masa también aumenta la gravedad del planeta, de manera que los materiales compresibles (incluso la roca es compresible) se volverán más apretados, reduciendo el tamaño del planeta más masivo.

En realidad, los planetas no son composiciones puras como el hipotético planeta agua o hierro. La Tierra está compuesta por un núcleo de hierro sólido, un núcleo externo de hierro líquido, un manto rocoso y una corteza, y una capa atmosférica relativamente delgada. De manera similar, es probable que los exoplanetas se diferencien en capas composicionales. Las líneas teóricas de la Figura\(\PageIndex{4}\) son simplemente guías que sugieren una gama de posibles composiciones.

Los astrónomos que trabajan en el modelado complejo de los interiores de planetas rocosos hacen la suposición simplificadora de que el planeta consta de dos o tres capas. Esto no es perfecto, pero es una aproximación razonable y otro buen ejemplo de cómo funciona la ciencia. A menudo, el primer paso para entender algo nuevo es reducir el rango de posibilidades. Esto prepara el escenario para refinar y profundizar nuestros conocimientos. En la Figura\(\PageIndex{4}\), los dos triángulos verdes con aproximadamente 1\(M_{\text{Earth}}\) y 1\(R_{\text{Earth}}\) representan Venus y la Tierra. Observe que estos planetas caen entre los modelos de un planeta de hierro puro y un planeta de roca pura, consistente con lo que esperaríamos de la conocida composición química mixta de Venus y la Tierra.

En el caso de los planetas gaseosos, la situación es más compleja. El hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica, sin embargo, muchos de los exoplanetas detectados en la Figura\(\PageIndex{4}\) con masas mayores a 100\(M_{\text{Earth}}\) tienen radios que sugieren que son de menor densidad que un planeta de hidrógeno puro. El hidrógeno es el elemento más ligero, entonces, ¿qué está pasando aquí? ¿Por qué algunos planetas gigantes gaseosos tienen radios inflados que son más grandes que el planeta ficticio de hidrógeno puro? Muchos de estos planetas residen en órbitas de corto período cercanas a la estrella anfitriona donde interceptan una cantidad significativa de energía radiada. Si esta energía queda atrapada en lo profundo de la atmósfera del planeta, puede hacer que el planeta se expanda.

Los planetas que orbitan cerca de sus estrellas anfitrionas en órbitas ligeramente excéntricas tienen otra fuente de energía: la estrella elevará mareas en estos planetas que tienden a circularizar las órbitas. Este proceso también da como resultado la disipación mareomotriz de energía que puede inflar la atmósfera. Sería interesante medir el tamaño de los planetas gigantes gaseosos en órbitas más anchas donde los planetas deberían ser más fríos —la expectativa es que a menos que sean muy jóvenes, estos exoplanetas gigantes de gas más fríos (a veces llamados “Júpiter fríos”) no deberían inflarse. Pero aún no tenemos datos sobre estos exoplanetas más distantes.

Sistemas exoplanetarios

Al buscar exoplanetas, no esperamos encontrar solo un planeta por estrella. Nuestro sistema solar tiene ocho planetas principales, media docena de planetas enanos y millones de objetos más pequeños orbitando el Sol. La evidencia que tenemos de sistemas planetarios en formación también sugiere que es probable que produzcan sistemas multiplanetarios.

El primer sistema planetario se encontró alrededor de la estrella Upsilon Andromedae en 1999 utilizando el método Doppler, y muchos otros se han encontrado desde entonces (casi 700 a principios de 2020). Si tal sistema exoplanetario es común, consideremos qué sistemas esperamos encontrar en los datos de tránsito de Kepler.

Un planeta transitará por su estrella sólo si la Tierra se encuentra en el plano de la órbita del planeta. Si los planetas de otros sistemas no tienen órbitas en el mismo plano, es poco probable que veamos múltiples objetos en tránsito. Además, como hemos señalado antes, Kepler era sensible solo a planetas con periodos orbitales menores a aproximadamente 4 años. Lo que esperamos de los datos de Kepler, entonces, es evidencia de sistemas planetarios coplanarios confinados a lo que sería el reino de los planetas terrestres en nuestro sistema solar.

Para 2020, los astrónomos recopilaron datos sobre casi 700 sistemas de exoplanetas de este tipo. Muchos solo tienen dos planetas conocidos, pero unos pocos tienen hasta cinco, y uno tiene ocho (el mismo número de planetas que nuestro propio sistema solar). En su mayor parte, se trata de sistemas muy compactos con la mayoría de sus planetas más cerca de su estrella que Mercurio del Sol. La siguiente figura muestra uno de los sistemas exoplanetarios más grandes: el de la estrella llamada Kepler-62 (Figura\(\PageIndex{5}\)). Nuestro sistema solar se muestra a la misma escala, para comparación (tenga en cuenta que los planetas Kepler-62 están dibujados con licencia artística; no tenemos imágenes detalladas de ningún exoplaneta).

Figura Sistema\(\PageIndex{5}\) Exoplaneta Kepler-62, con el Sistema Solar Mostrado a la Misma Escala. Las áreas verdes son las “zonas habitables”, el rango de distancia desde la estrella donde es probable que las temperaturas superficiales sean consistentes con el agua líquida.

Todos menos uno de los planetas del sistema K-62 son más grandes que la Tierra. Se trata de Super-Tierras, y una de ellas (62d) está en el rango de tamaño de un mini-Neptuno, donde es probable que sea en gran parte gaseosa. El planeta más pequeño de este sistema es aproximadamente del tamaño de Marte. Los tres planetas interiores orbitan muy cerca de su estrella, y solo los dos exteriores tienen órbitas más grandes que Mercurio en nuestro sistema. Las áreas verdes representan la “zona habitable” de cada estrella, que es la distancia desde la estrella donde calculamos que las temperaturas superficiales serían consistentes con el agua líquida. La zona habitable Kepler-62 es mucho más pequeña que la del Sol porque la estrella es intrínsecamente más tenue.

Con sistemas estrechamente espaciados como este, los planetas pueden interactuar gravitacionalmente entre sí. El resultado es que los tránsitos observados ocurren unos minutos antes o después de lo que se predecirían a partir de órbitas simples. Estas interacciones gravitacionales han permitido a los científicos de Kepler calcular masas para los planetas, proporcionando otra forma de aprender sobre exoplanetas.

Kepler ha descubierto algunos sistemas planetarios interesantes e inusuales. Por ejemplo, la mayoría de los astrónomos esperaban que los planetas se limitaran a estrellas individuales. Pero hemos encontrado planetas orbitando estrellas dobles cercanas, para que el planeta viera dos soles en su cielo, como los del planeta ficticio Tatooine en las películas de Star Wars. En el extremo opuesto, los planetas pueden orbitar una estrella de un amplio sistema de doble estrella sin mayor interferencia de la segunda estrella.

Conceptos clave y resumen

Aunque la misión Kepler está encontrando miles de nuevos exoplanetas, estos se limitan a periodos orbitales de menos de 400 días y tamaños mayores que Marte. Aún así, podemos usar los descubrimientos de Kepler para extrapolar la distribución de los planetas en nuestra Galaxia. Los datos hasta ahora implican que planetas como la Tierra son el tipo de planeta más común, y que puede haber 100 mil millones de planetas del tamaño de la Tierra alrededor de estrellas parecidas al Sol en la Galaxia. Alrededor de 2600 sistemas planetarios han sido descubiertos alrededor de otras estrellas. En muchos de ellos, los planetas están dispuestos de manera diferente que en nuestro sistema solar.

Glosario

Super-tierra

un planeta más grande que la Tierra, generalmente entre 1.4 y 2.8 veces el tamaño de nuestro planeta

Mini-Neptuno

un planeta que es intermedio entre el planeta terrestre más grande de nuestro sistema solar (Tierra) y el planeta joviano más pequeño (Neptuno); generalmente, los mini-Neptunes tienen tamaños entre 2.8 y 4 veces el tamaño de la Tierra