La extraña danza y densidad de un sistema de exoplanetas desconcierta a los astrónomos

La primera vez que un equipo internacional de astrónomos observó TOI-178, una estrella a unos 200 años luz de distancia situada en la constelación de Sculptor, pensaron que habían visto dos planetas rodeándola. Sin embargo, al investigarlo más en profundidad comprobaron que tenía más: contaba con seis exoplanetas, cinco de los cuales ‘bailando’, además, un extraño compás alrededor de su estrella.

“Nos dimos cuenta de que había múltiples planetas en una configuración muy especial”, dice Adrien Leleu, de la Universidad de Ginebra y la Universidad de Berna (Suiza), quien ha dirigido un nuevo estudio sobre este sistema planetario publicado esta semana en la revista Astronomy & Astrophysics.

La nueva investigación ha revelado que cinco de los seis exoplanetas (todos menos el más cercano a la estrella) son prisioneros de una rítmica danza mientras se mueven en sus órbitas. En otras palabras, están en resonancia. Esto significa que hay patrones que se repiten a medida que los planetas orbitan, haciendo que algunos planetas se alineen cada pocas vueltas.

‘Escuchar’ las resonancias

Para visualizar y ‘escuchar’ el movimiento rítmico de los planetas alrededor de la estrella central, los autores lo han representado a través de una armonía musical, creada mediante la atribución de una nota a cada uno de los planetas de la cadena de resonancia. Esta nota se reproduce cuando un planeta completa una órbita entera o media. Cuando los planetas se alinean en estos puntos, suenan en resonancia.

Una resonancia similar se observa en las órbitas de tres de las lunas de Júpiter: Ío, Europa y Ganímedes. Ío, el más cercano de los tres a Júpiter, completa cuatro órbitas alrededor de Júpiter para cada órbita de Ganímedes, la más lenta, y dos órbitas completas por cada órbita de Europa. Sin embargo, los cinco exoplanetas exteriores del sistema TOI-178 siguen una cadena de resonancia mucho más compleja, una de las más largas descubiertas hasta ahora en un sistema de planetas.

Mientras que las tres lunas de Júpiter están en una resonancia de 4:2:1, los cinco planetas exteriores del sistema TOI-178 siguen una cadena de 18:9:6:4:3. Esto implica que en el tiempo que el segundo planeta de la estrella (el primero en la cadena de resonancia) completa 18 órbitas, el tercer planeta (segundo en la cadena) completa 9 órbitas, y así sucesivamente.

De hecho, inicialmente los científicos sólo encontraron cinco planetas en el sistema, pero siguiendo este ritmo resonante calcularon dónde podría haber otro planeta adicional para buscarlo en cuando dispusieran de una ventana de observación.

Más que una curiosidad orbital, esta danza de planetas resonantes proporciona pistas sobre el pasado del sistema. “Las órbitas de este sistema están muy bien ordenadas, lo que nos dice que este sistema ha evolucionado de una forma suave desde su nacimiento”, explica el coautor, Yann Alibert, de la Universidad de Berna.

Si el sistema hubiera sufrido perturbaciones importantes en los momentos iniciales de su formación, por ejemplo, por un gran impacto, esta frágil configuración de órbitas no habría sobrevivido.

Desorden en las densidades

Aunque la disposición de las órbitas sea clara y bien ordenada, las densidades (tamaño y masa) de los planetas “son mucho más desordenadas”, afirma el coator Nathan Hara, de la Universidad de Ginebra (Suiza), que añade: “Parece que hay un planeta tan denso como la Tierra justo al lado de un planeta muy esponjoso, con la mitad de la densidad de Neptuno, seguido de un planeta con la densidad de Neptuno. No es a lo que estamos acostumbrados”.

En nuestro sistema solar, por ejemplo, los planetas están perfectamente dispuestos, con los planetas rocosos y más densos más cerca de la estrella central y los esponjosos planetas gaseosos de baja densidad más alejados.

Según Leleu, “Este contraste entre la armonía rítmica del movimiento orbital y las densidades desordenadas desafía sin duda nuestra comprensión de la formación y evolución de los sistemas planetarios”.

Los autores creen que este sistema podría proporcionar pistas importantes sobre cómo los planetas, incluidos los del sistema solar, se forman y evolucionan.

Observación desde tierra y el espacio

Para estudiar la inusual arquitectura del sistema, el equipo utilizó datos del satélite CHEOPS de la Agencia Espacial Europea (ESA), junto con el instrumento ESPRESSO, instalado en el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO), y los telescopios NGTS y SPECULOOS, ambos situados en el Observatorio Paranal de ESO, en Chile. Dado que los exoplanetas son extremadamente difíciles de detectar directamente con telescopios, los astrónomos deben confiar en otras técnicas para detectarlos.

Los principales métodos utilizados son los tránsitos por imágenes (observando la luz emitida por la estrella central, que se atenúa cuando un exoplaneta pasa delante de ella al observarla desde la Tierra) y las velocidades radiales (mirando el espectro de luz de la estrella en busca de pequeños signos de bamboleos que ocurren a medida que los exoplanetas se mueven en sus órbitas). El equipo utilizó ambos métodos para observar el sistema: CHEOPS, NGTS y SPECULOOS para tránsitos y ESPRESSO para velocidades radiales.

Mediante la combinación de las dos técnicas, el equipo fue capaz de recopilar información clave sobre el sistema y sus planetas, que orbitan su estrella central mucho más cerca y mucho más rápido de lo que la Tierra orbita el Sol. El más rápido (el planeta más interior) completa una órbita en sólo un par de días, mientras que el más lento tarda unas diez veces más.

Los seis planetas tienen tamaños que van desde aproximadamente uno hasta aproximadamente tres veces el tamaño de la Tierra, mientras que sus masas son de 1,5 a 30 veces la masa de la Tierra. Algunos de los planetas son rocosos, pero más grandes que la Tierra (apodadas supertierras). Otros son planetas gaseosos, como los planetas exteriores de nuestro sistema solar, pero son mucho más pequeños (minineptunos).

Aunque ninguno de los seis exoplanetas encontrados se encuentra en la zona habitable de la estrella, los investigadores sugieren que, al continuar con la cadena de resonancia, podrían encontrar más planetas en esa zona o muy cerca.

El futuro Telescopio Extremadamente Grande (ELT) de ESO, que comenzará a funcionar esta década, podrá obtener imágenes directas de exoplanetas rocosos en la zona habitable de una estrella e incluso caracterizar sus atmósferas, proporcionándonos una oportunidad para conocer con mayor detalle sistemas como TOI-178.