Las observaciones pueden ofrecer nuevas pistas sobre cómo un exoplaneta gigante sobrevivió a la muerte violenta de su estrella anfitriona – y comenzó a orbitar de cerca sus restos estelares.
Los hallazgos podrían servir como un anticipo del destino que podría aguardar a los planetas más grandes de nuestro sistema solar, como los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, cuando el Sol muera dentro de 5 mil millones de años.
En 2020, los astrónomos detectaron un intrigante planeta del tamaño de Júpiter orbitando una estrella enana blanca muerta. Situada a 80 años luz de la Tierra, WD 1856 b es siete veces más grande que su estrella, que tiene el tamaño de la Tierra.
“Este es uno de los sistemas planetarios más extraños que conocemos”, dijo el Dr. Christopher O’Connor, coautor de un estudio publicado el miércoles en la revista Nature, que detalla las observaciones. O’Connor es un investigador postdoctoral que estudia astrofísica y dinámica estelar y planetaria en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica de la Universidad Northwestern.
WD 1856 b completa una órbita alrededor de la estrella muerta cada 34 horas y se encuentra a menos de 3 millones de kilómetros (2 millones de millas) de su estrella anfitriona.
Cuando una estrella masiva similar al Sol se queda sin hidrógeno en su núcleo, se expande a más de 100 veces su tamaño original antes de colapsar en una densa enana blanca. Dada la proximidad de WD 1856 b a su estrella (50 veces más cerca que la Tierra de nuestro Sol), los astrónomos no estaban seguros de cómo el planeta sobrevivió a la destrucción de su anfitrión.
Para reconstruir el improbable viaje de supervivencia de WD 1856 b, O’Connor y sus colegas utilizaron el Telescopio Espacial James Webb para capturar las imágenes más recientes del planeta y medir su atmósfera, masa y temperatura. Casi todos los hallazgos del equipo fueron inesperados y sugirieron que los planetas gigantes podrían sobrevivir a la muerte de sus estrellas anfitrionas de maneras que antes se consideraban imposibles.
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La estrecha órbita del planeta y los tamaños relativos desproporcionados de WD 1856 by su estrella anfitriona motivaron a O’Connor y sus colegas a investigar más a fondo.
“Para un astrofísico teórico, encontrar un objeto extraño ubicado donde ‘no debería estar’ parece una invitación del universo a ser creativo en la búsqueda de una explicación”, escribió O’Connor en un correo electrónico.
Pero hacer observaciones con Webb fue un desafío. El equipo tuvo pocas posibilidades de observar un tránsito, es decir, la caída del brillo de la estrella cuando un planeta pasa por delante de su estrella. Las enanas blancas muertas son mucho más débiles que las estrellas que albergan planetas y que normalmente se observan con Webb, dijo la coautora del estudio Victoria Boehm, estudiante de posgrado en el departamento de astronomía de la Universidad de Cornell.
“Para complicar aún más las cosas, el tránsito del planeta sólo dura 8 minutos, por lo que es prácticamente imposible perderlo si parpadeas”, dijo Boehm en un comunicado. “Capturar suficiente luz para ver el espectro de WD 1856 b, y al mismo tiempo hacerlo lo suficientemente rápido para evitar perder tráfico, es algo que sólo Webb puede hacer”.
Pero el espectro, es decir, los datos capturados cuando la luz de la estrella atravesó la atmósfera del planeta, reveló información hasta ahora desconocida sobre WD 1856 b.
El equipo determinó que el planeta tiene entre cuatro y once veces la masa de Júpiter.
La luz infrarroja emitida por WD 1856 b sugirió que tiene una temperatura de aproximadamente 260 grados Fahrenheit (127 grados Celsius), aproximadamente 240 grados más que si fuera calentada solo por la estrella muerta.
“Eso es lo que realmente nos puso en el camino correcto para descubrir la historia del planeta a partir de nuestros datos”, dijo O’Connor.
El equipo combinó las nuevas mediciones con modelos de cómo los planetas gigantes como Júpiter y Saturno se enfrían con el tiempo, lo que ocurre a un ritmo predecible relacionado con su masa.
Los resultados mostraron que el planeta originalmente orbitaba la estrella desde una distancia mucho mayor y más segura. Pero WD 1856 b se calentó durante su migración al interior de la estrella después de su muerte.
Los investigadores tienen dos teorías contrapuestas sobre cómo WD 1856 b terminó en su órbita actual, tan cerca de su órbita real.
El “modelo de inmersión” sugiere que el planeta en realidad fue tragado por la estrella anfitriona a medida que crecía en tamaño antes de morir, pero logró sobrevivir, dijo O’Connor. Mientras tanto, el “modelo de interacción gravitacional” propone que WD 1856 b escapó de la agonía de la estrella, pero la influencia gravitacional de otros objetos en el sistema la empujó más cerca de la enana blanca, añadió.
“En cualquier situación, hay razones para creer que el planeta se calentaría internamente como subproducto del violento proceso migratorio”, dijo O’Connor. “En el primer escenario, esperaríamos que la migración y el calentamiento se hubieran producido simultáneamente con la muerte de la estrella anfitriona, o hace unos seis mil millones de años. En el segundo escenario, esto podría suceder miles de millones de años después, debido al caos de las interacciones gravitacionales”.
Los datos del equipo parecen indicar que el calentamiento del planeta ocurrió hace aproximadamente mil millones de años, lo que puede descartar las posibilidades de hundimiento, al igual que el espectro de Webb, que capturó evidencia de la composición química del planeta.
“Observamos signos reveladores de pequeñas partículas de nubes e hidrocarburos, muy probablemente metano, y esta es la primera vez que vemos una atmósfera en un planeta en tránsito por una estrella muerta”, dijo Boehm. “Recientemente observamos cuatro tránsitos más de WD 1856 b con Webb para analizar más a fondo su composición química atmosférica y esperamos ver los resultados”.
La abundancia de metano añade otra línea de evidencia de que el planeta no experimentó un proceso de absorción durante la fase de gigante roja, ya que esto habría diluido la abundancia del gas a medida que el planeta acumuló hidrógeno de la estrella, dijo el autor principal, el Dr. Ryan MacDonald, profesor de planetas extrasolares en la Universidad de St. Andrews en Escocia.
La Dra. Caroline Morley, profesora asociada en el departamento de astronomía de la Universidad de Texas en Austin, dijo que las discrepancias en los resultados de temperatura inferidos entre el nuevo estudio, que sugiere que el planeta es bastante caliente, y investigaciones previas de las que fue coautora, que identificaron al planeta como mucho más frío, la inquietan. Morley no participó en el nuevo estudio.
“Hay razones para ser escépticos sobre el resultado de que el planeta fue ‘recalentado’ durante la evolución estelar”, escribió Morley en un correo electrónico. “Creo que la detección preliminar de metano parece plausible, y la detección de nubes y/o niebla es sólida. A esta temperatura, la mejor suposición inicial para los ‘aerosoles’ presentes son las nubes de agua, que se forman y se vuelven bastante densas a estas temperaturas”.
Aunque la detección de metano atmosférico no fue sorprendente, la cantidad de gas fue mayor de lo que se podía predecir, dijo el Dr.
Ian Crossfield, profesor asociado de física y astronomía de la Universidad de Kansas. Crossfield no participó en el nuevo estudio, pero formó parte del equipo que descubrió WD 1856 b en 2020.
“Las conclusiones sobre la migración del planeta a su órbita actual invitan a la reflexión, aunque probablemente se necesiten más estudios antes de poder sacar conclusiones definitivas”, escribió Crossfield en un correo electrónico. “El artículo demuestra cómo las observaciones planetarias más reveladoras del JWST siguen siendo las de gigantes gaseosos, análogos a nuestro Júpiter o Saturno, incluso cuando la estrella que orbitan lleva muerta hace mucho tiempo”.
El sistema WD 1856 funciona como un adelanto de lo que podría suceder en nuestro propio sistema solar.
Al igual que la estrella anfitriona de WD 1856 b, nuestro Sol se expandirá y se convertirá en una gigante roja en unos 5 mil millones de años, engullendo a los planetas más cercanos, como Mercurio y Venus. La órbita de la Tierra la sitúa justo en el borde de esta futura “zona de peligro”, dijo O’Connor, por lo que el destino de nuestro planeta sigue siendo incierto.
Pero en lugar de llegar a una conclusión precipitada, los planetas gigantes de nuestro sistema solar podrían persistir y seguir evolucionando durante miles de millones de años. Se espera que el sistema WD 1856 permanezca en su estado actual durante billones de años, señaló O’Connor.
“Nuestros resultados muestran que la muerte estelar no es el final: algunos planetas experimentan un futuro vibrante y lleno de vida después de que su estrella muere”, dijo MacDonald.
A medida que el Sol se transforma en una enana blanca, aproximadamente mil millones de años después del final de la fase de gigante roja, los planetas restantes de nuestro sistema solar continuarán orbitando la estrella muerta.
“Esperamos que los supervivientes se alejen gradualmente del Sol hasta que alcancen aproximadamente el doble de sus distancias orbitales actuales”, escribió O’Connor. “Quizás, sin embargo, deberíamos considerar si sus órbitas podrían cambiar más drásticamente, llevando a una de ellas a migrar tan cerca de la enana blanca solar como lo está hoy WD 1856 b”.
