10 hechos planetarios que se extienden más allá de nuestro Sistema Solar

Es difícil de imaginar, pero en 1990, el año en que se lanzó el Telescopio Espacial Hubble, todavía teníamos que descubrir un solo planeta más allá de los que están dentro de nuestro propio Sistema Solar. Estábamos bastante seguros de que existían, pero no sabíamos si eran raros, comunes o estaban en todas partes. No sabíamos si los planetas rocosos o los gigantes gaseosos eran planetas "normales", o si había otros tipos que nuestro propio Sistema Solar no tiene. Y para bien o para mal, operamos bajo la suposición de que nuestro Sistema Solar era relativamente típico, y que su estructura, de planetas rocosos internos, un cinturón de asteroides, gigantes gaseosos y un cinturón de Kuiper y una nube de Oort más allá de ellos sería el plantilla para la mayoría, si no todos, los otros sistemas planetarios.

Qué viaje tan salvaje han sido los últimos ~ 30 años y cuánto cambiaron nuestras suposiciones. Con más de 5000 exoplanetas ahora bajo nuestro cinturón, y muchos otros discos protoplanetarios (donde se forman los planetas) que han sido fotografiados directamente, ahora nos damos cuenta de que gran parte de lo que inicialmente pensamos era demasiado presumido de nosotros, y que la naturaleza está llena de sorpresas. Aquí hay 10 hechos planetarios que habrían sorprendido a prácticamente todos los astrónomos en activo en 1990, ¡y que aún podrían sorprenderte hoy!

1.) No todas las estrellas pueden tenerlos . Una de las primeras sorpresas que esperaban a los científicos de exoplanetas se produjo cuando la misión Kepler comenzó a examinar un gran campo de más de 100.000 estrellas, en busca de tránsitos planetarios. Cuando un planeta pasa frente a su estrella madre, bloquea una fracción de la luz de la estrella. A medida que se acumulan múltiples órbitas y múltiples tránsitos, podemos precisar mejor la distancia orbital y el tamaño físico del exoplaneta. Inicialmente, según la cantidad de estrellas que estábamos mirando y las posibilidades geométricas de tener un tránsito observable desde nuestra línea de visión particular, parecía que quizás ~100% de las estrellas tendrían planetas.

Pero resulta que este no es el caso. Cuando clasificamos las estrellas por metalicidad, o el porcentaje de elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio dentro de la estrella, hay una clara caída en la abundancia planetaria. Prácticamente todas las estrellas con un 25% o más de los elementos pesados ​​que se encuentran en el Sol tienen planetas, solo una fracción de las estrellas con entre un 10-25% de los elementos pesados ​​del Sol tienen planetas, y solo dos o tres estrellas con menos del 10% de los elementos pesados ​​del Sol. Los elementos pesados ​​del Sol tienen planetas. A menos que se forme a partir de material que haya sido suficientemente enriquecido por generaciones anteriores de estrellas, es probable que su estrella no tenga planetas.

2.) Los Super-Neptunos (o Mini-Saturnos) son raros . Sabíamos, por nuestro propio Sistema Solar, que los planetas gigantes gaseosos tenían al menos dos tamaños diferentes: unas cuatro veces el radio de la Tierra, como Neptuno y Urano, y unas diez veces el radio de la Tierra, como Júpiter y Saturno. Pero, ¿qué más encontraríamos? ¿Serían estos tamaños de mundos comunes o raros? ¿Se encontraría una gran cantidad de planetas gigantes gaseosos con propiedades diferentes a las que se encuentran en nuestro Sistema Solar, como super-Júpiter, "interpolaciones" que tenían un tamaño entre Neptuno y Saturno, o mini-Neptunos?

Resulta que tanto los planetas del tamaño de Júpiter como los del tamaño de Neptuno son muy comunes, y los mini-Neptunos también son incluso más comunes que los mundos neptunianos. Pero entre los tamaños de Neptuno y Saturno hay muy pocos planetas, lo que sugiere que hay alguna razón física por la cual los planetas tienden a evitar formarse con tamaños entre 5 y 9 radios terrestres. Esa razón aún está bajo investigación, pero es fantástico saber que Neptunos y Júpiter son comunes, ¡mientras que los mundos intermedios no lo son!

3.) Los gigantes gaseosos ultradistantes son bastante comunes . Aquí, en nuestro propio Sistema Solar, hay un gran "acantilado" más allá de 30 veces la distancia entre la Tierra y el Sol, o 30 unidades astronómicas (UA). Tenemos ocho planetas principales en el interior a esa distancia, pero ninguno que sea tan grande como el planeta más pequeño, Mercurio, más allá de esa distancia.

Pero alrededor de muchas estrellas, hay planetas gigantes ubicados a una gran distancia: 50 UA, 100 UA o incluso varios cientos de UA de la estrella principal de su sistema. Algunos de estos planetas son tan grandes que sus núcleos superan el millón K de temperatura, lo que les permite fusionar deuterio y convertirse en enanas marrones, mientras que otros caen por debajo de ese umbral de masa y en su lugar solo generan luz infrarroja, similar a Júpiter.

Estos sistemas, como HR 8799 (arriba), son algunos de los mejores sistemas para imágenes directas y nos han revelado muchos exoplanetas fotografiados directamente hasta el momento.

4.) Muchos planetas son huérfanos, sin una estrella madre . En este Universo, lo que ves no es lo que obtienes; es solo representativo de la fracción de lo que tienes que sobrevivió hasta el día de hoy. Esto es cierto en nuestro Sistema Solar, donde muchos ahora piensan que hubo un quinto gigante gaseoso en nuestra historia temprana que fue expulsado hace mucho tiempo, y también es cierto en otras partes del Universo. Algunos planetas permanecen con sus estrellas madre, otros son expulsados ​​y vagan por el Universo como planetas huérfanos (o rebeldes), y es muy probable que otros surjan en regiones de formación estelar alrededor de cúmulos de materia que tenían una masa demasiado baja para formar una estrella.

Afortunadamente, un método novedoso ha comenzado a revelar estos planetas rebeldes: la microlente gravitacional. A medida que estos planetas viajan a través de la galaxia, inevitablemente pasarán a través de nuestra línea de visión hacia una o más estrellas y, cuando lo hagan, su gravedad doblará, distorsionará y magnificará temporalmente la luz de una de esas estrellas coalineadas. estrellas. Esa característica señal de microlente se ha observado varias veces, revelando estos planetas huérfanos invisibles. Con observatorios mejorados y una mayor generación de imágenes continuas de campo amplio, la microlente puede algún día revelar más exoplanetas totales que todos los demás métodos combinados.

5.) Los planetas ultra calientes son los más fáciles de detectar . Cuando se trata de nuestro Sistema Solar, Mercurio es el planeta más cercano a nuestro Sol, con una órbita de solo 88 días y una temperatura máxima durante el día de más de 800 °F (427 °C). Pero algunos de los exoplanetas que hemos encontrado tienen temperaturas de varios miles de grados y orbitan sus estrellas madre en solo unos pocos días o incluso en cuestión de horas.

Resulta que hay una buena razón para esto: los dos métodos que usamos, el método de la velocidad radial (donde medimos el "bamboleo" de una estrella debido a los efectos gravitatorios de un planeta en órbita) y el método de tránsito (donde medimos la velocidad periódica oscurecimiento de la estrella madre cuando el planeta en órbita bloquea su luz) están sesgados hacia los planetas que orbitan extremadamente cerca de sus estrellas madre.

Si bien los primeros exoplanetas descubiertos eran calientes y masivos, ahora hemos descubierto una gran cantidad de planetas de todas las masas que están muy cerca de sus estrellas madre. Eso no se debe a que sean súper comunes, sino a que los planetas que se mueven rápidamente provocan cambios más drásticos en el movimiento de su estrella madre y nos permiten observar una mayor cantidad de tránsitos en la misma cantidad de tiempo de observación. No vale la pena echar un segundo vistazo a las estrellas que hemos monitoreado en busca de evidencia de planetas calientes adicionales; probablemente ya hemos visto la mayoría de ellos en los campos de visión donde hemos mirado.

6.) Mucho después de que el gas formador de planetas se haya ido, quedan restos de polvo . Este fue un pequeño rompecabezas que solo se ha revelado recientemente. Sabemos desde hace mucho tiempo que la formación de planetas ocurre muy rápidamente y solo es posible mientras haya gas alrededor de una estrella joven. Una vez que ese disco protoplanetario se evapora, la formación de planetas está completa. El polvo, por otro lado, se produce cada vez que chocan dos cuerpos, y puede ser causado por tormentas de cometas, colisiones de asteroides entre sí o con cuerpos rocosos, u otros eventos violentos.

Pero mientras que todo el gas desaparece después de quizás 10-20 millones de años alrededor de una estrella recién formada, el polvo puede persistir durante varios cientos de millones de años (y quizás incluso mil millones o más) en todos los sistemas estelares. Si bien varios sistemas han exhibido polvo dentro del análogo de sus cinturones de Kuiper, las observaciones recientes han mostrado algunas grandes sorpresas, que incluyen:

Estas pistas se suman a una posibilidad tentadora: tal vez nuestro propio Sistema Solar, durante el período de bombardeo temprano, también fue una vez un sistema rico en polvo.

7.) Los cinturones de asteroides y los cinturones de Kuiper son solo la punta del iceberg . Inicialmente pensamos que un cinturón de asteroides y un cinturón de Kuiper tendrían sentido, e incluso podrían ser propiedades universales para los sistemas estelares. Después de todo, los diferentes tipos de hielo que se forman en el espacio tienen sus propios puntos de fusión/ebullición/sublimación, y eso crea una serie de lo que se conoce como "líneas de escarcha", o lugares en el borde donde se encuentra el hielo de una especie específica. (hielo de agua, hielo seco, hielo de metano, hielo de nitrógeno, etc.) pueden o no existir alrededor de una estrella. Estas líneas deberían corresponder al lugar donde se forma un cinturón de asteroides, entre los planetas interiores y exteriores.

De manera similar, debería quedar una colección de pequeños planetesimales más allá del planeta final en un sistema: un cinturón de Kuiper. Entonces, ¿por qué, como acabamos de observar alrededor de Fomalhaut, estamos viendo un tercer cinturón a distancias intermedias? ¿Hay otros sistemas que tengan más que un cinturón de Kuiper y un cinturón de asteroides, y qué tipo de mecanismos de formación física los impulsan a existir? ¿Es nuestro Sistema Solar incluso común en este sentido, o son múltiples (quizás incluso más de tres) cinturones la norma? Realmente estamos justo en las fronteras científicas aquí, y este es un descubrimiento que fue completamente inesperado.

8.) Los sistemas de estrellas múltiples pueden tener planetas casi tan fácilmente como las estrellas singlete . Durante mucho tiempo, la idea de un sistema similar a Tatooine, donde un planeta observaría múltiples estrellas similares al Sol en su cielo diurno, se trató como una imposibilidad física. La razón era que el problema gravitatorio de los tres cuerpos haría que cualquier planeta que orbitara con múltiples masas grandes cercanas eventualmente sería expulsado, haciendo que tales sistemas sean lo que llamamos en la comunidad física "dinámicamente inestables".

Y si bien esto es técnicamente cierto, la escala de tiempo para esa inestabilidad puede ser de varias decenas de miles de millones de años: más que la edad del Universo. Por cada par de estrellas en órbita, hay tres regiones que son casi estables:

Ahora hemos encontrado exoplanetas que caen en estas tres categorías, lo que lleva a comprender que, a excepción de unas pocas regiones gravitacionalmente inestables establecidas por las masas relativas y las distancias entre las estrellas en un solo sistema, hay muchos lugares donde los planetas pueden orbitan establemente durante la vida útil de un sistema estelar. Con el tiempo, es posible que encontremos que el mismo porcentaje de sistemas de estrellas múltiples albergan planetas que los sistemas de estrellas únicas.

9.) Solo puedes ser un poco más masivo que la Tierra y seguir siendo rocoso y apto para la vida. . Realmente saltamos a una conclusión prematura la primera vez que descubrimos un exoplaneta con una masa y un radio que era más grande que la de la Tierra pero más pequeña que la de Neptuno: los llamamos mundos de súper-Tierra. Si bien esa es una forma tentadora de pensar en estos mundos, debería ser igualmente tentador pensar en ellos como mini-Neptunos, ya que nuestros métodos simples de detección de exoplanetas aún no han alcanzado la sensibilidad para medir y caracterizar las atmósferas de estos mundos. Si son delgados y tienen superficies rocosas, esperaríamos que fueran como la Tierra; si son gruesos y tienen grandes envolturas de gas volátiles antes de llegar a una superficie sólida, esperaríamos que fueran como Neptuno.

Como muestran las mediciones de la combinación de la masa del exoplaneta, el radio del exoplaneta y la temperatura del exoplaneta (basado en la distancia desde su estrella madre principal), solo puede ser aproximadamente un 30% más grande y aproximadamente 2 veces más masivo que la Tierra antes de hacer la transición a un Un mundo similar a Neptuno, ya que se vuelve muy fácil retener gases volátiles con solo un poco más de masa que la que tiene un planeta como la Tierra. Hay excepciones a esta regla general, pero las excepciones se encuentran principalmente entre mundos muy calientes cuyos volátiles se hierven y evaporan fácilmente. Todo el tiempo que nos hemos estado preguntando dónde están las "súper-Tierras" de nuestro Sistema Solar, la respuesta ha estado justo delante de nuestras narices: somos casi tan "súper" como puede ser un planeta similar a la Tierra.

10.) El santo grial del exoplaneta, de obtener imágenes directas de planetas del tamaño de la Tierra en la llamada Zona Habitable, finalmente está al alcance de la mano. . Este es uno grande, y finalmente está llegando. A menudo hemos soñado con lo que vería una civilización alienígena apropiadamente avanzada si mirara a la Tierra desde lejos, y cómo dirían que nuestro planeta está habitado. A medida que el planeta giraba sobre su eje, verían evidencia de nubes, océanos y continentes variables. A medida que cambiaban las estaciones, veían crecer y retirarse los casquetes polares mientras los continentes se volvían verdes y marrones. Y si pudieran medir nuestro contenido atmosférico, verían cambios en los niveles de gas de una manera que indicaría que no solo éramos un mundo habitado, sino que aquí vivía una especie tecnológicamente avanzada.

Con la próxima misión insignia de la NASA en la década de 2030 o 2040, conocida como el Observatorio de Mundos Habitables, vamos a cumplir ese objetivo: no para la Tierra, sino para cualquier planeta similar a la Tierra que esté ubicado alrededor de los ~20 más o menos los sistemas estelares más cercanos al nuestro. La combinación de tener un telescopio espacial que sea lo suficientemente grande, con instrumentos suficientemente avanzados y con un coronógrafo sin precedentes puede finalmente revelarnos directamente los mundos rocosos más cercanos y medir sus atmósferas en busca de signos de vida, incluida vida inteligente. El gran sueño de los astrónomos del siglo XX se hará realidad en solo otros 15 a 20 años, y la humanidad podría cosechar las recompensas finales: obtener una respuesta afirmativa a la pregunta "¿Estamos solos en el Universo?"