CARMENES: Un exoplaneta gigante alrededor de una estrella pequeña desafía nuestra comprensión sobre cómo se forman los sistemas planetarios.

Este planeta probablemente se formó a partir de la división en diferentes fragmentos de un disco inestable alrededor de la estrella cuando era aún joven. Esto contrasta con la forma en que se cree que se forman la mayoría de los planetas gigantes, donde estos crecen lentamente a medida que el gas cae sobre un núcleo sólido.

La señal de un planeta se ha detectado claramente con ambos brazos, visible e infrarrojo, del espectrógrafo cazaplanetas CARMENES, instalado en el Observatorio de Calar Alto. Esto lo convierte en el primer exoplaneta descubierto sin ninguna ambigüedad por un espectrómetro infrarrojo de nueva generación.

Para este descubrimiento, el consorcio CARMENES ha utilizado, entre otros, el Telescopi Joan Oró (TJO) del IEEC ubicado en el Observatori Astronòmic del Montsec y las instalaciones del Observatorio de Sierra Nevada (IAA, CSIC).

El resultado se publicará en el próximo número de la revista Science.
 
Astrónomos del consorcio CARMENES, liderados por Juan Carlos Morales, investigador del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, CSIC), han descubierto uno, e incluso dos, planetas gigantes gaseosos orbitando alrededor de la cercana estrella enana roja GJ 3512.
 
Para descubrir los planetas, los astrónomos han utilizado la técnica Doppler, que mide el movimiento de ida y vuelta de una estrella cuando la orbitan uno o más planetas. Sin embargo, ¡GJ 3512 estuvo a punto de no entrar en la lista de objetivos a observar!
 
«CARMENES fue construido para encontrar planetas alrededor de las estrellas más pequeñas, pero también queríamos que fueran lo más brillantes posible. Inicialmente, esta estrella no estaba incluida en nuestra lista de observación porque era demasiado débil», declara Ignasi Ribas, científico del proyecto CARMENES y director del IEEC. «Entonces nos dimos cuenta de que no teníamos suficientes estrellas pequeñas en la muestra y, en el último minuto, añadimos algunas. Tuvimos la suerte de hacerlo porque de otra manera nunca hubiéramos hecho este descubrimiento».
 
Las 140 observaciones revelan claramente un movimiento de la estrella causado por un compañero masivo, tanto en el brazo óptico como en el infrarrojo del espectrógrafo CARMENES. El brazo infrarrojo de CARMENES fue la principal contribución de los institutos españoles al consorcio y fue construido en el Instituto de Astrofísica de Andalucía  (CSIC). El instrumento está en funcionamiento desde 2016 y está colocado en el telescopio de 3,5 metros del Observatorio de Calar Alto, en Almería.
 
«Como su nombre indica, las enanas rojas emiten la mayor parte de su luz en las regiones rojas e infrarrojas cercanas del espectro electromagnético. CARMENES fue diseñado para usar de manera óptima todas las longitudes de onda de la luz en las que las estrellas son más brillantes», explica Ansgar Reiners, del Instituto de Astrofísica de Göttingen (Alemania). «A pesar de que los espectrógrafos ópticos estabilizados de alta resolución existen desde hace tiempo, por ejemplo el famoso instrumento caza-planetas HARPS, los que trabajan en el infrarrojo cercano representan una nueva tecnología».

Con este descubrimiento, CARMENES consigue la primera detección de un exoplaneta utilizando únicamente un instrumento de nueva generación y de alta precisión en el infrarrojo cercano, lo que pone en relieve una vez más el papel de liderazgo desempeñado por los investigadores europeos en el campo de los exoplanetas desde telescopios terrestres. Una detección anterior de un exoplaneta usando un espectrómetro infrarrojo requirió el uso de otras varias instalaciones para su confirmación [1].
 
Después de algunas observaciones iniciales, esta estrella llamó la atención de los científicos y dio lugar a un mayor seguimiento. «La estrella mostró muy pronto un comportamiento bastante extraño. Su velocidad cambiaba muy rápidamente y de manera equivalente en los dos canales del instrumento, indicando la presencia de un compañero masivo, una característica anómala para una enana roja», explica Juan Carlos Morales.
 
GJ 3512 es casi idéntica a Próxima Centauri y solo un poco más masiva que la Estrella de Teegarden y TRAPPIST-1. Todas ellas albergan planetas terrestres en órbitas templadas y compactas, pero no gigantes gaseosos. «Se está convirtiendo en la norma esperar pequeños planetas alrededor de estas estrellas pequeñas, así que inicialmente pensamos que este gran movimiento tenía que ser causado por otra estrella con un período orbital muy largo. Seguimos observándola, pero con poca intensidad. Para nuestra sorpresa, el movimiento comenzó a repetirse de nuevo en la siguiente temporada, indicando que en realidad estaba siendo producido por un planeta. En ese momento, GJ 3512 finalmente entró en la lista de máxima prioridad», explica el Dr. Morales.
 
«El Telescopi Joan Oró del IEEC en el Observatori Astronòmic del Montsec, de 80 cm de diámetro, jugó un papel importante en el descubrimiento, permitiéndonos determinar el período de rotación del sistema, que es de 87 días. Este es un dato importante para confirmar que la señal se debe a un planeta y no a actividad estelar, así como para estimar la edad del sistema», declara Enrique Herrero, investigador del IEEC a cargo de las observaciones con el Telescopi Joan Oró.
 
Los modelos de formación de planetas deberían ser capaces de explicar cómo los sistemas planetarios llegan a existir alrededor de estrellas como nuestro Sol, pero también alrededor de estrellas más pequeñas. Hasta ahora, el llamado «modelo de acreción del núcleo» para la formación de planetas se consideraba suficiente para explicar la formación de Júpiter y Saturno en nuestro sistema solar, y la de muchos otros planetas gigantes gaseosos descubiertos alrededor de otras estrellas.
 
El «modelo de acreción del núcleo» asume que los planetas se forman en dos fases: primero, se crean núcleos rocosos, del tamaño de unas pocas masas terrestres, en el disco protoplanetario; y luego, cuando se llega a una masa crítica, comienzan a acumular y retener grandes cantidades de gas hasta que alcanzan el tamaño de Júpiter, o más.
 
Las estrellas de baja masa deberían tener proporcionalmente discos livianos, por lo que la cantidad de material disponible en el disco para formar planetas también se reduce de manera significativa. La presencia de un gigante gaseoso alrededor de una estrella tan pequeña indica que el disco original era anormalmente denso [2] o que el escenario de acreción de masa sobre el núcleo no aplica en este caso. Además, este planeta está en una órbita excéntrica, que sugiere la presencia de otro planeta gigante que fue expulsado del sistema en el pasado, siendo ahora un cuerpo errante en el vacío galáctico.
 
Investigadores del IEEC, el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y otros institutos del consorcio CARMENES establecieron una colaboración con los grupos de formación de planetas del Observatorio de Lund (Suecia) y la Universidad de Berna (Suiza), todos ellos líderes mundiales en teoría de formación de planetas, con el fin de estudiar escenarios de formación plausibles para este sistema.
 
«Después de realizar múltiples simulaciones y tras largas discusiones entre los diferentes grupos para tratar de explicar el sistema, concluimos que nuestros modelos más actualizados nunca podrían explicar la formación de un solo planeta gigante, y mucho menos de dos», explica Alexander Mustill, investigador del Observatorio de Lund.
 
Pero hay un posible escenario alternativo de formación de planetas que podría ser la solución. El «modelo de inestabilidad del disco» defiende que algunos, o quizás todos, los planetas gigantes gaseosos pueden formarse directamente a partir de la autoacumulación gravitacional de gas y polvo, en lugar de requerir un núcleo que actúe como «semilla». Aunque este escenario es plausible, hasta ahora ha sido mayormente ignorado porque no explica otras tendencias observadas en la población de planetas gigantes gaseosos. Este nuevo descubrimiento de CARMENES está destinado a cambiar esta situación.
 
«Me parece fascinante cómo una sola observación anómala tiene el potencial de producir un cambio de paradigma en nuestro pensamiento, en algo tan esencial como la formación de planetas y, por lo tanto, en el panorama general de cómo nuestro propio sistema solar llegó a existir», declara Juan Carlos Morales.
 
El consorcio CARMENES continúa observando la estrella para confirmar la existencia de un segundo objeto, posiblemente un planeta similar a Neptuno, con un período orbital más largo. Además, los científicos no han descartado la presencia de planetas terrestres en órbitas templadas alrededor de GJ 3512. Más datos dirán si se trata finalmente de un sistema equivalente a nuestro sistema solar a pequeña escala.
 
Notas
 
[1] Técnicamente, la primera detección firme de exoplanetas mediante el uso de un espectrómetro infrarrojo de alta resolución fue hecha con CSHELL en IRTF, y corresponde a un objeto masivo en el límite entre un planeta y una enana marrón (~13 veces la masa de Júpiter) orbitando a la estrella CI Tau. CARMENES es un instrumento de nueva generación construido específicamente para la búsqueda de exoplanetas. Desde que CARMENES inició sus operaciones, varios instrumentos similares entraron en operación en los principales observatorios del mundo, como el Telescopio Subaru y el Telescopio Canadá-Francia-Hawaii, ambos en Mauna Kea, Hawaii.
 
[2] La existencia de estos discos anómalos y masivos no está confirmada actualmente por las observaciones de las regiones de formación estelar.
 
Observatorios e instrumentos
 
El instrumento CARMENES (Calar Alto High-Resolution Search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs) es un espectrógrafo óptico e infrarrojo cercano de alta resolución construido en colaboración con 11 instituciones de investigación españolas y alemanas, y está operado por el Observatorio de Calar Alto (España). 
 

Enlaces

– CARMENES
– Observatorio de Calar Alto
– IEEC
– Observatorio Astronómico del Montsec
 
Más información
 
Esta investigación se presenta en un artículo titulado «A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models», de J. C. Morales et al., que aparecerá en la revista Science el 27 de septiembre de 2019.
 
El Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) promueve y coordina la investigación y el desarrollo tecnológico espacial en Cataluña en beneficio de la sociedad. El IEEC fomenta las colaboraciones tanto a nivel local como mundial, y es un eficiente agente de transferencia de conocimiento, innovación y tecnología. Como resultado de más de 20 años de investigación de alta calidad, llevada a cabo en colaboración con las principales organizaciones internacionales, el IEEC se encuentra entre los mejores centros de investigación internacionales, centrados en áreas como: astrofísica, cosmología, ciencias planetarias y observación de la Tierra. La división de ingeniería del IEEC desarrolla instrumentación para proyectos terrestres y espaciales, y tiene una amplia experiencia trabajando con organizaciones privadas y públicas del sector aeroespacial y otros sectores de innovación.  
 
El IEEC es una fundación privada sin ánimo de lucro, regida por un Patronato compuesto por la Generalitat de Catalunya y otras cuatro instituciones con una unidad científica cada una, que en conjunto constituyen el núcleo de la actividad de I+D del IEEC: la Universidad de Barcelona (UB) con la unidad científica ICCUB – Instituto de Ciencias del Cosmos; la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) con la unidad científica CERES – Centro de Estudios e Investigación Espaciales; la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) con la unidad científica CTE – Grupo de Investigación en Ciencias y Tecnologías del Espacio; y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) con la unidad científica ICE – Instituto de Ciencias del Espacio. El IEEC está integrado en la red CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Imágenes

PR_Image_1: infografía de la comparación de la órbita de GJ3512
Comparación de GJ 3512 con el sistema solar y otros sistemas planetarios de enanas rojas cercanas. Los planetas que orbitan alrededor de una estrella de masa solar pueden aumentar su tamaño hasta que empiezan a acumular gas y se convierten en planetas gigantes como Júpiter, en unos pocos millones de años. Pero pensábamos que las estrellas pequeñas como Proxima, TRAPPIST-1, la estrella de Teegardern y GJ 3512, no podían formar planetas con masas similares a la de Júpiter.
Crédito: Guillem Anglada-Escudé/IEEC, mediante SpaceEngine.org.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_2: espectrógrafo CARMENES
Brazo de infrarrojo cercano de CARMENES montado en la sala de instrumentos del Observatorio de Calar Alto. El detector del espectrógrafo tiene que estar dentro de una cámara de vacío criogénica con condiciones estabilizadas de presión y temperatura.
Crédito: Pedro Amado/Marco Azzaro – IAA/CSIC.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_4: el telescopio de 3,5 m en el Observatorio de Calar Alto
Cúpula del telescopio de 3,5 m en el Observatorio de Calar Alto donde está instalado el espectrógrafo CARMENES.
Crédito: Pedro Amado/Marco Azzaro – IAA/CSIC.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_5: el telescopio de 3,5 m en el Observatorio de Calar Alto
Telescopio de 3,5 m en el observatorio de Calar Alto donde está instalado el espectrógrafo CARMENES.
Crédito: Pedro Amado/Marco Azzaro – IAA/CSIC.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Image_6: recreación artística de GJ 3512b
Recreación artística del planeta gigante gaseoso GJ 3512b orbitando alrededor de la enana roja.
Crédito: Guillem Anglada-Escude – IEEC/Science-wave, using SpaceEngine.org.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Vídeos

PR_Video_1: representación artística de las órbitas de los planetas alrededor de GJ 3512
Representación artística de las órbitas de los planetas alrededor de GJ 3512. La órbita interna representa la del planeta gigante presentado en el artículo, mientras que la exterior corresponde a la señal de período más largo que también se extrae de los datos, para la que todavía es necesaria una confirmación.
Crédito: Guillem Anglada-Escude – IEEC/Science Wave, mediante SpaceEngine.org.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

PR_Video_2: simulación de la formación de planetas
Simulación usando los principales modelos actuales para la formación de planetas alrededor de una estrella similar al Sol y una estrella pequeña como GJ 3512. El principal modelo actual (acreción de trozos) puede formar planetas grandes como Júpiter y Saturno alrededor de estrellas similares al Sol (en negro, 00:23), pero falla en la creación de planetas como GJ 3512 b alrededor de pequeñas enanas rojas (puntos rojos, nunca llegan a convertirse en planetas gigantes gaseosos, ver al final de la simulación).
Fotografía: Anders Johanson – Observatorio de Lund.
Licencia de distribución: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).