El valle de la evaporación de planetas

El telescopio espacial Kepler de la NASA ha revolucionado nuestro conocimiento de los planetas extrasolares. Este satélite ha descubierto nada más y nada menos que más de 2.300 exoplanetas alrededor de otras estrellas mediante el método del tránsito. Una de las conclusiones más importantes que podemos extraer de este cúmulo de datos es que hay dos tipos de planetas que son muy comunes en el universo y que, curiosamente, se hallan ausentes de nuestro sistema solar. Nos referimos a los minineptunos y a las supertierras. Los dos tienen tamaños comprendidos entre el de nuestro planeta y el de Neptuno —que tiene cuatro veces el diámetro de la Tierra—, pero sus propiedades no pueden ser más diferentes.

Las supertierras, como su nombre indica, son una versión en grande de la Tierra, pero lo importante es que su superficie es sólida. Los minineptunos, por contra, están rodeados de una gruesa atmósfera y contienen grandes cantidades de hielos de agua, amoniaco y metano. Es lógico pensar que cuanto más pequeños sean estos planetas serán más parecidos a la Tierra y precisamente eso es lo que observamos en los datos observacionales. ¿Pero dónde está el límite entre las supertierras y los minineptunos?

Frecuencia de planetas en función de su tamaño según los datos de Kepler.Se observa la escasez de mundos entre 1,75 y 2 radios terrestres, el ‘valle misterioso’ (NASA/Ames Research Center/CalTech/University of Hawaii/B.J. Fulton)

En los últimos años esta frontera entre los dos tipos de exoplaneta se ha situado un tanto arbitrariamente alrededor de los dos radios terrestres. Es decir, un planeta con un tamaño superior será un minineptuno, mientras que si es inferior será una supertierra. Parece lógico, ya que un planeta más grande posee una mayor gravedad y es capaz de atrapar mejor las sustancias volátiles que caracterizan a los minineptunos. Igualmente, es razonable pensar que todos los tamaños de planetas de este tipo son más o menos igual de frecuentes. Sin embargo, en el último análisis de datos de la misión Kepler saltó la sorpresa. El telescopio de la NASA pudo comprobar que, contra lo que uno podría esperar, no existe un continuo de tamaños para los exoplanetas con radios comprendidos entre el de la Tierra y Neptuno, sino que la naturaleza favorece dos grupos muy claros de tamaños.

Efectivamente, Kepler nos ha enseñado que la mayor parte de supertierras tiene un tamaño de 1,3 veces el de la Tierra, mientras que los minineptunos suelen tener 2,4 veces el tamaño de la Tierra (o sea, casi justo el doble). Los mundos con un tamaño comprendido entre ambos escasean dramáticamente. Parece que la naturaleza ha decidido ponernos las cosas fáciles y ha introducido un mecanismo para que los exoplanetas de tamaño intermedio sean o bien supertierras, o bien minineptunos. Ahora bien, ¿cómo es esto posible?

Es importante reflexionar sobre lo que nos están diciendo los datos. De algún modo el Universo solo permite planetas de un tamaño concreto, como si estuviese en marcha un misterioso mecanismo cuántico planetario (obviamente, conviene aclarar que Kepler ha detectado planetas de tamaño intermedio entre supertierras y minineptunos, pero su frecuencia es muy baja). ¿Qué mecanismo es capaz de explicar esta distribución planetaria tan extraña?

Los investigadores James Owen y Yanqin Wu ya predijeron en 2013 esta diferencia cuando introdujeron la hipótesis del ‘valle de la evaporación’. De acuerdo con esta teoría, la mayor parte de supertierras serían los núcleos desnudos de minineptunos que han perdido su densa atmósfera por estar demasiado cerca de su estrella (recordemos que la mayoría de exoplanetas descubiertos por Kepler tienen un periodo muy corto, más que nada porque es más fácil detectar los planetas que están próximos a su estrella). Muy bien, pero quizás alguno pueda pensar que esta hipótesis no aclara el misterio. ¿Por qué la mayoría de los núcleos de minineptunos tienen el mismo tamaño? Y, además, tampoco explica por qué los minineptunos más frecuentes tienen todos 2,4 radios terrestres.

¿Puede la hipótesis del valle de la evaporación explicar la diferencia entre supertierras y minineptunos? (Fulton et al.)

Veamos. La cuestión es que, antes de que se produzca la fotoevaporación total por acción de los vientos estelares y la luz de longitudes de onda más energéticas procedentes de la estrella, la atmósfera del minineptuno se expandirá aumentado su tamaño. Cuanto más pequeño sea el núcleo del minineptuno o más cerca esté de la estrella, mayor será la fotoevaporación. El resultado es que los minineptunos tienden a tener el mismo radio porque así se mantiene constante el flujo radiativo que recibe de su estrella. Sin embargo, una vez que se alcanza un umbral crítico en la pérdida de la atmósfera el proceso de evaporación es muy rápido, lo que explica que no haya planetas con un tamaño intermedio. En cuanto al tamaño de los núcleos, 1,3 radios terrestres es el tamaño mínimo para que, con una composición similar a la terrestre, un planeta tenga la suficiente gravedad como para poder rodearse de una atmósfera densa de hidrógeno y helio.

Recientemente James Owen y Yanqin Wu han afinado su modelo para ajustarlo a los últimos datos de Kepler y lo cierto es que encaja a la perfección. Es verdad que el modelo de Owen y Wu predice minineptunos cuyo tamaño más frecuente sean 2,6 radios terrestres, mientras que Kepler nos dice que el tamaño preferido es de 2,3 radios terrestres, pero es una diferencia que cae dentro del error de los datos de Kepler. Si el modelo del valle de la evaporación es correcto, y parece que lo es, podemos extraer varias conclusiones muy valiosas sobre la evolución de los planetas extrasolares. Por un lado, que la mayor parte de supertierras que son núcleos evaporados de minineptunos tienen una composición similar a la terrestre y una masa de tres veces la de la Tierra, lo que apunta a que se formaron por dentro de la línea de nieve de su sistema estelar.

Por otro lado, que la atmósfera de los minineptunos está compuesta principalmente por hidrógeno y helio y tuvo que haberse formado por acreción de material del disco protoplanetario, por lo que no se creó posteriormente como resultado de la liberación de gases del interior planetario (un fenómeno que se cree ocurrió en los planetas rocosos del sistema solar).

Resulta fascinante que un modelo tan simple pero elegante como el del valle de la evaporación nos explique la curiosa relación entre los dos tipos de mundos más comunes de la Galaxia. Y surge la duda: ¿puede haber tenido este modelo alguna influencia en nuestro sistema solar primigenio?

Este post ha sido realizado por Daniel Marín (@Eurekablog) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias:
James Owen et al., The evaporation valley in the Kepler planets, arXiv:1705.10810, mayo 2017.

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