CARMENES: Un exoplaneta gegant al voltant d’una estrella petita desafia la nostra comprensió de com es formen els planetes.

Aquest planeta probablement es va formar a partir de la fragmentació del disc protoplanetari al voltant de la estrella quan era jove. Això contrasta amb la forma en què es creu que es formen la majoria dels planetes gegants, on aquests creixen lentament a mesura que el gas cau sobre un nucli sòlid.

El senyal d’un planeta s'ha detectat clarament amb els braços visible i infraroig de l'espectrògraf CARMENES, instal·lat a l'Observatori de Calar Alto a Almeria. Això el converteix en el primer exoplaneta clarament detectat amb un espectròmetre infraroig de nova generació.

Per aquest descobriment, el consorci CARMENES ha utilitzat, entre altres, el Telescopi Joan Oró (TJO) de l'IEEC ubicat a l'Observatori Astronòmic del Montsec i les instal·lacions de l'Observatori de Sierra Nevada (IAA, CSIC).

El resultat es publicarà en el proper número de la revista Science.

Astrònoms del consorci CARMENES, liderats per Juan Carlos Morales, investigador de l'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l'Institut de Ciències de l'Espai (ICE, CSIC), han descobert un, i fins i tot dos, planetes gegants gasosos orbitant al voltant del estel nan vermell GJ 3512.
 
Per descobrir els planetes, els astrònoms han utilitzat la tècnica Doppler, que mesura el moviment d'anada i tornada dels estels quan són orbitats per un o més planetes. No obstant això, GJ 3512 va estar a punt de no entrar a la llista d'objectius a observar!
 
«CARMENES va ser construït per trobar planetes al voltant de les estrelles més petites, però també volíem que fossin el més brillants possible. Inicialment, aquesta estrella no estava inclosa en la llista d'observació perquè era massa feble», declara Ignasi Ribas, científic del projecte CARMENES i director de l’IEEC. «Llavors, ens vam adonar que no teníem suficients estels petits a la mostra i, a l'últim minut, en vam afegir alguns. Vam tenir la sort de fer-ho perquè altrament mai haguéssim fet aquest descobriment».
 
Les 140 observacions revelen clarament el moviment de l'estrella causat per un company massiu, tant en el braç òptic com en infraroig de l’espectrògraf CARMENES. El braç infraroig de CARMENES va ser la principal contribució dels instituts espanyols al consorci i va ser construït a l'Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC). L'instrument funciona des de 2016 i està instal·lat a el telescopi de 3,5 metres de l'Observatorio de Calar Alto, a Almeria.
 
«Com el seu nom indica, els nans vermells emeten la major part de la seva llum en les regions vermelles i infraroges de l'espectre electromagnètic. CARMENES va ser dissenyat per fer servir de manera òptima totes les longituds d'ona de la llum en les que els nans vermells són més brillants», explica Ansgar Reiners, de l'Institut d'Astrofísica de Göttingen (Alemanya). «Tot i que els espectrògrafs òptics estabilitzats d'alta resolució existeixen des de fa temps, per exemple el famós instrument caça-planetes HARPS, els que treballen en l'infraroig proper representen una nova tecnologia».

Amb aquest descobriment, CARMENES aconsegueix la primera detecció d'un exoplaneta utilitzant únicament un instrument de nova generació i d’alta precisió en l'infraroig proper, la qual cosa posa en relleu una vegada més el lideratge dels investigadors europeus en el camp dels exoplanetes des de telescopis terrestres. Una detecció anterior d'un exoplaneta mitjançant un espectròmetre infraroig va requerir l'ús de diverses altres instal·lacions per a la seva confirmació [1].
 
Després d'algunes observacions inicials, aquest estel va cridar l'atenció dels científics i va donar lloc a un major seguiment. «L'estel va mostrar molt aviat un comportament força estrany. La seva velocitat canviava molt ràpidament i de manera equivalent en els dos canals de l'instrument, cosa que indicava la presència d'un company massiu, una característica molt anòmala per a un nan vermell», explica Juan Carlos Morales.
 
GJ 3512 és gairebé idèntica a Proxima Centauri i només una mica més massiva que l'Estrella de Teegarden i TRAPPIST-1. Totes elles alberguen planetes terrestres en òrbites temperades i compactes, però no gegants gasosos. «S'està convertint en la norma esperar petits planetes al voltant d'aquestes estrelles petites, així que inicialment vam pensar que aquest gran moviment havia de ser causat per una altra estrella amb un període orbital molt llarg. Vam seguir observant-la, però amb poca intensitat. Per a la nostra sorpresa, el moviment va començar a repetir-se de nou en la següent temporada, indicant que en realitat havia estat produït per un planeta. En aquest moment, GJ 3512 finalment va entrar en la llista de màxima prioritat», explica el Dr. Morales.

«El Telescopi Joan Oró de l'IEEC a l'Observatori Astronòmic del Montsec, de 80 cm de diàmetre, va jugar un paper important en el descobriment. Va permetre derivar el període de rotació del sistema, que és de 87 dies. Aquesta és una dada important per confirmar que el senyal està causat per un planeta i no per l’activitat estel·lar, així com per estimar l'edat del sistema», declara Enrique Herrero, investigador de l'IEEC  encarregat de les observacions amb el Telescopi Joan Oró.
 
Els models de formació de planetes haurien de ser capaços d'explicar com els sistemes planetaris arriben a existir al voltant d'estrelles com el nostre Sol, però també al voltant d'estrelles més petites. Fins ara, l'anomenat «model d'acreció del nucli» per a la formació de planetes es considerava suficient per explicar la formació de Júpiter i Saturn en el nostre Sistema Solar, i la de molts altres planetes gegants gasosos descoberts al voltant d'altres estrelles.

El «model d’acreció del nucli» assumeix que els planetes es formen en dues fases: primer, es creen nuclis rocosos, de la mida d'unes poques masses terrestres, en el disc protoplanetari; i després, quan s'arriba a una massa crítica, comencen a acumular i retenir grans quantitats de gas fins que assoleixen la mida de Júpiter, o més.
 
Les estrelles de baixa massa haurien de tenir proporcionalment discos lleugers, de manera que la quantitat de material disponible al disc per formar planetes també es redueix de forma significativa. La presència d'un gegant gasós al voltant d'un estel de baixa massa indica que el disc original era anormalment dens [2] o que l'escenari d'’acreció de massa sobre el nucli no s'aplica en aquest cas. A més, el nou planeta descobert està en una òrbita força excèntrica, que suggereix la presència d’un altre altre planeta gegant que va ser expulsat del sistema en el passat i que ara pot ser un cos errant en el buit galàctic.
 
Investigadors de l'IEEC, l'Institut Max Planck d'Astronomia (MPIA) i altres instituts del consorci CARMENES van establir una col·laboració amb els grups de formació de planetes de l'Observatori de Lund (Suècia) i la Universitat de Berna (Suïssa), tots ells líders mundials en teoria de formació de planetes, per tal d'estudiar escenaris de formació plausibles per a aquest sistema.
 
«Després de realitzar múltiples simulacions i de llargues discussions entre els diferents grups per tractar d'explicar el sistema, vam concloure que els nostres models més actualitzats mai podrien explicar la formació d'un sol planeta gegant, i molt menys de dos», explica Alexander Mustill, investigador principal de l'Observatori de Lund.
 
Però hi ha un possible escenari alternatiu de formació de planetes que podria ser la solució. El «model d'inestabilitat del disc» defensa que alguns, o potser tots, els planetes gegants gasosos poden formar-se directament a partir de la autoacumulació gravitacional de gas i pols, en lloc de requerir un nucli que actuï com a «llavor». Encara que aquest escenari és plausible, fins ara ha estat majoritàriament ignorat ja que no explica altres tendències observades a la població de planetes gegants gasosos. Aquest nou descobriment de CARMENES està destinat a canviar aquesta situació.
 
«Em sembla fascinant com una sola observació anòmala pot produir un canvi de paradigma en una cosa tan essencial com la formació de planetes i, per tant, de com el nostre propi sistema solar va esdevenir», declara Juan Carlos Morales.
 
El consorci CARMENES continua observant l'estrella per tal de confirmar l'existència d'un segon objecte, possiblement un planeta similar a Neptú, amb un període orbital més llarg. A més, els científics no han descartat la presència de planetes terrestres en òrbites temperades al voltant de GJ 3512. Més dades diran si es tracta finalment d'un sistema solar com el nostre però a petita escala.

Notes
 
[1] Tècnicament, la primera detecció ferma d'exoplanetes anunciada mitjançant un espectròmetre infraroig d'alta resolució es va fer amb CSHELL a IRTF, i correspon a un objecte massiu en el límit entre un planeta i un nan marró (~ 13 vegades la massa de Júpiter), orbitant l’estel CI Tau. CARMENES és un instrument de nova generació construït específicament per a la recerca d'exoplanetes. Des que CARMENES va iniciar les seves operacions, diversos instruments similars van entrar en operació en els principals observatoris del món, com el Telescopi Subaru i el Telescopi Canadà-França-Hawaii, tots dos a Mauna Kea, Hawaii.
 
[2] L'existència d'aquests discs anòmals i massius no està confirmada actualment per les observacions de les regions de formació estel·lar.
 
Observatoris i instruments
 
L'instrument CARMENES (Calar Alt High-Resolution Search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Echèlle Spectrographs) és un espectrògraf òptic i infraroig proper d'alta resolució construït en col·laboració amb 11 institucions de recerca espanyoles i alemanyes, i està operat per l'Observatorio de Calar Alto (Espanya).
 
Enllaços
– CARMENES
– Observatorio de Calar Alto
– IEEC
– Observatori Astronòmic del Montsec
 
Més informació
 
Aquesta recerca es presenta en un article titulat «A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models», de J. C. Morales et al., que apareixerà a la revista Science el 27 de setembre de 2019.

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia.  Com a resultat de més de 20 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.   

L’IEEC és una fundació privada sense ànim de lucre regida per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya i unes altres quatre institucions amb una unitat científica cadascuna, que en conjunt constitueixen el nucli de l’activitat d’I+D de l’IEEC: la Universitat de Barcelona (UB) amb la unitat científica ICCUB – Institut de Ciències del Cosmos; la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) amb la unitat científica CERES – Centre d’Estudis i Recerca Espacials; la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) amb la unitat científica CTE – Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai; i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) amb la unitat científica ICE – Institut de Ciències de l’Espai. L’IEEC està integrat en la xarxa CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Imatges

PR_Image_1: infografia de la comparació de l'òrbita de GJ3512
Comparació de GJ 3512 amb el sistema solar i altres sistemes planetaris de nans vermells propers. Els planetes que orbiten al voltant d'una estrella de massa solar poden augmentar la seva grandària fins que comencen a acumular gas i es converteixen en planetes gegants com Júpiter, en uns pocs milions d'anys. Però pensàvem que les estrelles petites com Proxima, TRAPPIST-1, l'estrella de Teegardern i GJ 3512, no podien formar planetes amb masses similars a la de Júpiter.
Crèdit: Guillem Anglada-Escudé – IEEC, mitjançant SpaceEngine.org.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_2: espectrògraf CARMENES
Braç d'infraroig proper de CARMENES muntat a la sala d'instruments de l'Observatorio de Calar Alto. El detector de l'espectrògraf ha d'estar dins d'una cambra de buit criogènica amb condicions estabilitzades de pressió i temperatura.
Crèdit: Pedro Amado/Marco Azzaro – IAA/CSIC.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_4: el telescopi de 3,5 m a l'Observatorio de Calar Alto
Cúpula del telescopi de 3,5 m a l'Observatorio de Calar Alto on està instal·lat l'espectrògraf CARMENES.
Crèdit: Pedro Amado/Marc Azzaro – IAA/CSIC.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_5: el telescopi de 3,5 m a l'Observatorio de Calar Alto
Telescopi de 3,5 m a l'Observatorio de Calar Alto on està instal·lat l'espectrògraf CARMENES.
Crèdit: Pedro Amado/Marc Azzaro – IAA/CSIC.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_6: recreació artística de GJ 3512b
Recreació artística del planeta gegant gasós GJ 3512b orbitant al voltant del nan vermell.
Crèdit: Guillem Anglada-Escude – IEEC/Science-wave, using SpaceEngine.org.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Vídeos

PR_Video_1: representació artística de les òrbites dels planetes al voltant de GJ 3512
Representació artística de les òrbites dels planetes al voltant de GJ 3512. L'òrbita interna representa la del planeta gegant presentat en l'article, mentre que l'exterior correspon al senyal de període més llarg que també s'extreu de les dades, per al qual encara és necessària una confirmació.
Crèdit: Guillem Anglada-Escudé – IEEC/Science Wave, mitjançant SpaceEngine.org.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Video_2: simulació de la formació de planetes
Simulació usant els principals models actuals per a la formació de planetes al voltant d'una estrella similar al Sol i una estrella petita com GJ 3512. El principal model actual (acreció de trossos) pot formar planetes grans com Júpiter i Saturn al voltant d'estrelles similars al Sol (en negre, 00:23), però falla en la creació de planetes com GJ 3512 b al voltant de petits nans vermells (punts vermells, mai arriben a convertir-se en planetes gegants gasosos, veure al final de la simulació).
Fotografia: Anders Johanson – Observatori de Lund.
Llicència de distribució: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).