Crédito de imagen: NWU
Según un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad Northwestern, las órbitas peculiares de tres planetas que giran alrededor de una estrella lejana solo se pueden explicar si un cuarto planeta invisible se abrió paso y las derribó de sus órbitas circulares.
La conclusión se basa en extrapolaciones por computadora de 13 años de observaciones de movimientos planetarios alrededor de la estrella Upsilon Andromedae. Sugiere que las órbitas no circulares y a menudo altamente elípticas de muchos de los planetas extrasolares descubiertos hasta la fecha pueden ser el resultado de la dispersión de planetas entre sí. En tal escenario, el planeta perturbador podría ser expulsado del sistema por completo o podría ser arrojado a una órbita lejana, dejando a los planetas internos con órbitas excéntricas.
"Este es probablemente uno de los dos o tres sistemas extrasolares que tienen las mejores observaciones y las restricciones más estrictas, y cuenta una historia única", dijo Eric Ford, becario posdoctoral Miller en UC Berkeley. “Nuestra explicación es que la órbita original del planeta exterior era circular, pero recibió esta repentina patada que cambió permanentemente su órbita a ser altamente excéntrica. Para proporcionar esa patada, tenemos la hipótesis de que había un planeta adicional que no vemos ahora. Creemos que ahora entendemos cómo funciona este sistema ".
Si un planeta así hubiera atravesado nuestro sistema solar al principio de su historia, señalaron los investigadores, los planetas internos podrían no tener órbitas circulares tan bonitas y, según los supuestos actuales sobre los orígenes de la vida, el clima de la Tierra podría haber fluctuado demasiado. para que la vida haya surgido.
"Si bien los planetas de nuestro sistema solar permanecen estables durante miles de millones de años, ese no fue el caso de los planetas que orbitan Upsilon Andromedae", dijo Ford. "Si bien esos planetas podrían haberse formado de manera similar a Júpiter y Saturno, sus órbitas actuales fueron esculpidas por una fase tardía de interacciones caóticas y violentas".
Según el colega de Ford, Frederic A. Rasio, profesor asociado de física y astronomía en Northwestern, “Nuestros resultados muestran que un mecanismo simple, a menudo llamado 'dispersión planeta-planeta', una especie de efecto tirachinas debido a la repentina atracción gravitacional entre dos planetas cuando se acercan mucho: deben ser responsables de las órbitas altamente excéntricas observadas en el sistema Upsilon Andromedae. Creemos que la dispersión planeta-planeta ocurrió con frecuencia en sistemas planetarios extrasolares, no solo en este, como resultado de fuertes inestabilidades. Entonces, si bien los sistemas planetarios alrededor de otras estrellas pueden ser comunes, los tipos de sistemas que podrían soportar la vida, que, como nuestro sistema solar, presumiblemente deben permanecer estables durante escalas de tiempo muy largas, pueden no ser tan comunes ".
Las simulaciones por computadora se informan en la edición del 14 de abril de la revista Nature de Ford, Rasio y Verene Lystad, un estudiante universitario que se especializa en física en Northwestern. Ford era estudiante de Rasio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts antes de cursar estudios de posgrado en la Universidad de Princeton y llegar a UC Berkeley en 2004.
El sistema planetario alrededor de Upsilon Andromedae es uno de los más estudiados de los 160 sistemas con planetas descubiertos hasta ahora fuera de nuestro propio sistema solar. El planeta interior, un "Júpiter caliente" tan cerca de la estrella que su órbita es de unos pocos días, fue descubierto en 1996 por Geoff Marcy de UC Berkeley y su equipo de caza de planetas. Los dos planetas exteriores, con órbitas alargadas que se perturban mucho entre sí, fueron descubiertos en 1999. Estos tres planetas enormes, similares a Júpiter alrededor de Upsilon Andromedae, comprendieron el primer sistema extrasolar de múltiples planetas descubierto por la espectroscopía Doppler.
Debido a la naturaleza inusual de las órbitas planetarias alrededor de Upsilon Andromedae, Marcy y su equipo lo han estudiado intensamente, haciendo casi 500 observaciones, 10 veces más que para la mayoría de los otros planetas extrasolares que se han encontrado. Estas observaciones, las oscilaciones en el movimiento de la estrella inducidas por los planetas en órbita, permiten un trazado muy preciso de los movimientos de los planetas alrededor de la estrella.
"Las observaciones son tan precisas que podemos ver y predecir lo que sucederá durante decenas de miles de años en el futuro", dijo Ford.
Hoy, mientras el planeta más interno se acurruca cerca de la estrella, los dos planetas exteriores orbitan en órbitas en forma de huevo. Sin embargo, las simulaciones por computadora de los cambios orbitales pasados y futuros mostraron que los planetas exteriores participan en una danza repetitiva que, una vez cada 7,000 años, lleva la órbita del planeta medio a un círculo.
"Esa propiedad de regresar a una órbita muy circular es bastante notable y generalmente no sucede", dijo Ford. “La explicación natural es que una vez ambos estuvieron en órbitas circulares, y uno recibió una gran patada que hizo que se volviera excéntrico. Luego, la evolución posterior hizo que el otro planeta aumentara su excentricidad, pero debido a la conservación de la energía y el momento angular, regresa periódicamente a una órbita casi casi circular ".
Anteriormente, los astrónomos habían propuesto dos posibles escenarios para la formación del sistema planetario de Upsilon Andromedae, pero los datos de observación aún no eran suficientes para distinguir los dos modelos. Otro astrónomo, Renu Malhotra, de la Universidad de Arizona, había sugerido previamente que la dispersión planeta-planeta podría haber excitado las excentricidades en Upsilon Andromedae. Pero una explicación alternativa afirmó que las interacciones entre los planetas y un disco de gas que rodea la estrella también podrían haber producido órbitas excéntricas. Al combinar datos de observación adicionales con nuevos modelos de computadora, Ford y sus colegas pudieron demostrar que las interacciones con un disco de gas no habrían producido las órbitas observadas, pero que las interacciones con otro planeta las producirían naturalmente.
"La característica distintiva clave entre esas teorías era que las interacciones con un disco externo causarían que las órbitas cambiaran muy lentamente, y una interacción fuerte con un planeta que pasa causaría que las órbitas cambien muy rápidamente en comparación con la escala de tiempo de 7,000 años para el órbitas para evolucionar ", dijo Ford. "Debido a que las dos hipótesis hacen predicciones diferentes para la evolución del sistema, podemos restringir la historia del sistema en función de las órbitas planetarias actuales".
Ford dijo que a medida que los planetas se formaron dentro de un disco de gas y polvo, el arrastre en los planetas habría mantenido sus órbitas circulares. Sin embargo, una vez que el polvo y el gas se disiparon, solo una interacción con un planeta que pasa podría haber creado las órbitas particulares de los dos planetas exteriores observados hoy. Quizás, señaló, el planeta perturbador fue golpeado en los planetas internos por interacciones con otros planetas lejos de la estrella central.
Sin embargo, comenzó, las interacciones caóticas resultantes habrían creado una órbita muy excéntrica para el tercer planeta, que luego también perturbó gradualmente la órbita del segundo planeta. Debido a que el planeta exterior domina el sistema, con el tiempo perturbó la órbita del planeta medio lo suficiente como para deformarlo lentamente en una órbita excéntrica, que es lo que se ve hoy, aunque cada 7,000 años más o menos, el planeta medio regresa gradualmente a una circular. orbita.
"Esto es lo que hace que el sistema sea tan peculiar", dijo Rasio. “Normalmente, el acoplamiento gravitacional entre dos órbitas elípticas nunca haría que uno volviera a un círculo casi perfecto. Un círculo es muy especial.
"Originalmente, el objetivo principal de nuestra investigación era simular el sistema planetario Upsilon Andromedae, esencialmente para determinar si los dos planetas exteriores se encuentran en el mismo plano que los planetas del sistema solar", dijo Lystad, quien comenzó a trabajar con Rasio cuando era estudiante de segundo año e hizo muchas de las integraciones de computadoras como parte de su tesis de último año. "Nos sorprendió descubrir que, para muchas de nuestras simulaciones, era difícil saber si los planetas estaban en el mismo plano debido al hecho de que la órbita del planeta medio periódicamente se volvía casi circular. Una vez que notamos que este extraño comportamiento estaba presente en todas nuestras simulaciones, lo reconocimos como una característica de un sistema que había sufrido dispersión planeta-planeta. Nos dimos cuenta de que sucedía algo mucho más interesante de lo que nadie había encontrado antes ".
Comprender lo que sucedió durante la formación y evolución de Upsilon Andromedae y otros sistemas planetarios extrasolares tiene implicaciones importantes para nuestro propio sistema solar.
"Una vez que te das cuenta de que la mayoría de los planetas extrasolares conocidos tienen órbitas altamente excéntricas (como los planetas en Upsilon Andromedae), comienzas a preguntarte si podría haber algo especial en nuestro sistema solar", dijo Ford. “¿Podría ser tan común la dispersión violenta planeta-planeta que pocos sistemas planetarios permanezcan tranquilos y habitables? Afortunadamente, los astrónomos, liderados por Geoff Marcy, profesor de astronomía en la Universidad de California en Berkeley, están haciendo diligentemente las observaciones que eventualmente responderán a esta emocionante pregunta ".
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation y el Instituto Miller de Investigación Básica de UC Berkeley.
Fuente original: Comunicado de prensa de Berkeley
