Descubiertos seis planetas gracias a sus órbitas sincronizadas
- Los planetas orbitan sincronizados en torno a su estrella central, siguiendo un ritmo predecible que los astrónomos denominan ‘resonancia’
- Esta configuración demuestra que el sistema planetario no ha sufrido grandes cambios desde su formación hace más de mil millones de años
- Investigadores del IEEC en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) han participado en este descubrimiento, que utiliza observaciones del instrumento CARMENES de Calar Alto y datos de la misión CHEOPS de la ESA
Leyenda: Al trazar un vínculo entre dos planetas vecinos en intervalos de tiempo regulares a lo largo de sus órbitas, se crea un patrón único para cada pareja. Los seis planetas del sistema HD 110067 crean juntos un hipnótico patrón geométrico debido a su cadena de resonancia.
Créditos: Thibaut Roger/NCCR PlanetS, CC BY-NC-SA 4.0
Los astrónomos han hallado una peculiar familia de seis planetas en órbita alrededor de una estrella similar al Sol llamada HD 110067. Aunque los sistemas multiplanetarios son comunes en nuestra galaxia, los que se encuentran en una ajustada formación gravitatoria conocida como ‘resonancia’ se observan con mucha menos frecuencia. Un equipo internacional de investigadores liderado por Rafael Luque, de la Universidad de Chicago, ha publicado hoy un artículo sobre este descubrimiento en la revista Nature. Varios investigadores del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) han participado en la investigación.
La configuración resonante significa que las órbitas están sincronizadas de una manera particular. En este caso, el planeta más cercano a la estrella realiza tres órbitas por cada dos del siguiente planeta, lo que se denomina resonancia 3/2, un patrón que se repite entre los cuatro planetas más cercanos. En el caso de los planetas más alejados, se trata de cuatro órbitas por cada tres del planeta siguiente, una resonancia 4/3.
Los sistemas orbitales resonantes como este son extremadamente importantes porque informan a los astrónomos sobre la formación y posterior evolución del sistema planetario. Los sistemas planetarios tienden a formarse en resonancia, pero pueden ser perturbados fácilmente. Por ejemplo, un planeta muy masivo en el sistema, un encuentro cercano con una estrella pasajera o cualquier tipo de fusión o colisión pueden alterar el delicado equilibrio. Por tanto, encontrar un sistema resonante es como observar un sistema planetario ‘fósil’.
Leyenda: Una singular familia de seis exoplanetas ha sido desvelada con la ayuda de la misión Cheops de la ESA. Los planetas son todos más pequeños que Neptuno y giran alrededor de su estrella HD 110067 en un vals muy preciso: cuando el planeta más cercano a la estrella da tres vueltas completas a su alrededor, el segundo da exactamente dos. Esto se llama resonancia 3:2. Cheops confirmó el período orbital del tercer planeta del sistema, que fue la clave para descifrar el ritmo de todo el sistema. Este es el segundo sistema planetario en resonancia orbital que Cheops ha ayudado a desvelar.
Créditos: ESA
Juan Carlos Morales, Guillem Anglada-Escudé e Ignasi Ribas, todos ellos investigadores del IEEC en el ICE-CSIC, participaron en la investigación aportando observaciones realizadas con CARMENES, el instrumento de búsqueda de exoplanetas del Observatorio de Calar Alto. También colaboraron programando las observaciones con el planificador de CARMENES, basado en el software STARS, una solución de inteligencia artificial para la planificación de operaciones de misiones espaciales e instrumentos astronómicos desarrollada por el IEEC, el ICE-CSIC y el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB).
«Las observaciones espectroscópicas de alta resolución de CARMENES a lo largo de un año, junto con las del espectrógrafo HARPS-N, se utilizaron para determinar la masa de tres de los planetas del sistema y marcar unos límites estrictos para las demás, revelando que son lo que llamamos planetas de clase sub-Neptuno», explica Juan Carlos Morales, investigador del IEEC en el ICE-CSIC.
HD 110067 invita a seguir estudiándolo, ya que nos muestra la configuración inalterada de un sistema planetario que ha mantenido su resonancia desde su formación: es probable que los planetas hayan estado practicando esta misma danza gravitatoria desde que se formó el sistema, hace miles de millones de años. Además, se trata del sistema más brillante conocido con cuatro o más planetas. Dado que todos estos planetas tienen un tamaño inferior a Neptuno y atmósferas probablemente extensas, son candidatos ideales para estudiar la composición de sus atmósferas con el telescopio espacial James Webb de la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).
«Las observaciones de CARMENES se utilizaron para determinar la masa de tres de los planetas del sistema y marcar unos límites estrictos para las demás, revelando que son lo que llamamos planetas de clase sub-Neptuno», explica Juan Carlos Morales, investigador del IEEC en el ICE-CSIC.
Siguiendo las pistas para encontrar los planetas
Leyenda: Animación a escala de las órbitas de los seis planetas resonantes del sistema HD 110067. La imagen de fondo es el campo de TESS centrado en HD 110067 desde el que se vieron por primera vez los primeros indicios de exoplanetas orbitando la estrella (Crédito: NASA/MIT/TESS y Ethan Kruse). Los tamaños relativos de los planetas (como muestra la leyenda de la derecha) son precisos, aunque su tamaño real en comparación con la estrella es mucho menor.
Créditos: Animación, composición y anotaciones de Dr. Hugh Osborn (University of Bern)
El descubrimiento de estos planetas recuerda a una historia de detectives. Las primeras pistas procedieron del satélite Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, cuyo objetivo es examinar todo el cielo pedazo a pedazo para encontrar exoplanetas de período pequeño (años cortos). En 2020, TESS detectó descensos en el brillo de la estrella HD 110067, lo que indicaba el paso de planetas por delante de su superficie. Estos pequeños eclipses son lo que los astrónomos llaman ‘tránsitos’.
Dos años después, TESS volvió a observar la misma estrella. Sumando ambos conjuntos de mediciones, los científicos disponían de un abanico de tránsitos para estudiar. Pero era difícil distinguir cuántos planetas representaban, o precisar sus órbitas; los dos conjuntos de observaciones parecían discrepar entre sí.
«Fue entonces cuando decidimos utilizar CHEOPS», explica Rafael Luque. CHEOPS es el Satélite de Caracterización de Exoplanetas (Characterising Exoplanet Satellite), la primera misión de la ESA dedicada a estudiar estrellas brillantes y cercanas de las que ya se sabe que albergan exoplanetas, y que cuenta con la participación del IEEC y del ICE-CSIC. «Fuimos a pescar señales entre todos los períodos potenciales que esos planetas podían tener», explica Luque.
Finalmente, los astrónomos identificaron los dos planetas más interiores, con períodos orbitales de 9 días para el más cercano y de 14 días para el siguiente. Un tercer planeta, con un año de unos 20,5 días, fue identificado con la ayuda de los datos de CHEOPS.
Entonces, los científicos observaron algo extraordinario: las órbitas de los tres planetas coincidían con lo que cabría esperar si estuvieran fijados en una resonancia 3/2. Habían encontrado la clave para desvelar todo el sistema. El equipo científico repasó una conocida lista de resonancias que podrían darse en este tipo de sistemas, tratando de hacerlas coincidir con el resto de tránsitos que había captado TESS. Así, los científicos pudieron predecir que los tres planetas exteriores tienen períodos orbitales de 31, 41 y 55 días. «CHEOPS nos proporcionó esta configuración resonante que nos permitió predecir todos los demás períodos. Sin esa detección de CHEOPS, habría sido imposible», explica Luque.
Sin embargo, las observaciones de TESS que tenían alguna posibilidad de confirmar las órbitas predichas de los dos planetas más externos se habían dejado de lado durante el procesamiento, ya que presentaban un exceso de luz dispersa. Un nuevo análisis de los datos para corregir el exceso de luz reveló dos tránsitos ocultos, uno para cada uno de los planetas, exactamente en los momentos esperados por las predicciones. Finalmente, encajaban todas las piezas del rompecabezas.
Nota de prensa elaborada en colaboración con la Universidad de Chicago, la ESA y la NASA.
Créditos: Dr. Hugh Osborn (University of Bern)
Más información
Esta investigación se presenta en un artículo titulado «A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067», de Rafael Luque et al., que aparecerá en la revista Nature el 29 de noviembre de 2023. DOI 10.1038/s41586-023-06692-3
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