Descubren seis exoplanetas que "danzan" de forma sincronizada alrededor de su estrella

La revista Nature publica esta semana el descubrimiento de seis exoplanetas que orbitan alrededor de una estrella cercana similar al Sol llamada HD 110067. Está situada en la constelación Coma Berenices, a unos 100 años-luz de distancia, y es visible desde el hemisferio norte de la Tierra.

El estudio, liderado por el astrofísico Rafael Luque de la Universidad de Chicago (EE UU), ha sido posible gracias a las observaciones del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA y el CHaracterising ExOPlanets Satellite (CHEOPS) de la ESA.

Los cambios de brillo en HD 110067 y otras señales detectadas por estos y otros instrumentos permitieron confirmar la existencia de los seis planetas pasando por delante de su estrella con órbitas resonantes, una especie de 'vals' sincronizado.

Aunque los sistemas multiplanetarios son comunes en nuestra galaxia, los que se encuentran en una ajustada formación gravitatoria conocida como resonancia (órbitas sincronizadas de una manera particular) se observan con mucha menos frecuencia.

Los planetas más cercanos a la estrella tienen una resonancia orbital 3/2 y los más alejados, 4/3

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 otros 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.

 

Un sistema planetario fósil

Estos sistemas 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.

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 más de mil millones de años.

Es probable que los planetas hayan estado practicando esta misma danza gravitatoria desde que se formó el sistema hace más de mil 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).

 

Participación española

En este estudio han participado diversos centros de investigación españoles: el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

Juan Carlos Morales, Guillem Anglada-Escudé e Ignasi Ribas, del ICE-CSIC y el IEEC, aportaron observaciones realizadas con CARMENES, el instrumento de búsqueda de exoplanetas del Observatorio de Calar Alto (Almería) codesarrollado por el IAA.

También colaboraron programando las observaciones con el planificador de este instrumento, basado en el software Stars, una solución de inteligencia artificial para la planificación de operaciones de misiones espaciales e instrumentos astronómicos desarrollada por el ICE-CSIC, el IEEC y el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB).

El instrumento CARMENES del Observatorio de Calar Alto (Almería) ha ayudado a medir la masa de alguno de estos 'subneptunos'

“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 subneptuno”, explica Morales.

Estos subneptunos, planetas con radios comprendidos entre el de la Tierra y el de Neptuno, se encuentran en órbitas cercanas en más de la mitad de las estrellas similares al Sol, pero no se conocen bien los detalles de su composición, formación y evolución.

 

La historia detectivesca del descubrimiento

El descubrimiento de estos planetas recuerda a una historia de detectives. Las primeras pistas procedieron del satélite TESS de la NASA, cuyo objetivo es examinar todo el cielo pedazo a pedazo para encontrar exoplanetas de período pequeño (años cortos). En 2020, 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.

Para realizar las observaciones se han utilizado los satélites TESS de la NASA y CHEOPS de la Agencia Espacial Europea (ESA)

“Fue entonces cuando decidimos utilizar CHEOPS”, recuerda Luque. Este Satélite de Caracterización de Exoplanetas es 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 ICE-CSIC y el IEEC.

“Fuimos a pescar señales entre todos los períodos potenciales que esos planetas podían tener”, explica el primer autor.

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 también del satélite europeo.

La misión CHEOPS ha sido clave para estudiar el extraño sistema de los seis exoplanetas. / ESA

Entonces, los científicos realizaron la observación extraordinaria: 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.

Los investigadores repasaron 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, pudieron predecir que los tres planetas exteriores tienen períodos orbitales de 31, 41 y 55 días.

De dentro hacia fuera, los periodos orbitales de los seis exoplanetas son 9, 14, 20,5, 31, 41 y 55 días

“CHEOPS nos proporcionó esta configuración resonante que nos permitió predecir todos los demás períodos. Sin esa detección, habría sido imposible», reconoce 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 este 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.

"El universo nos demuestra que nuestro Sistema Solar no parece ser la norma en lo que a la formación de planetas se refiere, y una vez más nos da un ejemplo de la gran variedad de sistemas planetarios que existen. Este, además de su interés para entender cómo se forman y evolucionan, quizá nos pueda aportar información adicional sobre por qué nuestro sistema planetario es como es", concluye otro de los autores, Pedro J. Amado, investigador del IAA.

Movimiento orbital de los seis planetas en relación con un solo año del planeta c. Por cada rotación de 360 grados alrededor de HD110067 desde este planeta, el planeta b se mueve 540 grados, el planeta d 240, el planeta e 160, el planeta f 120 y el planeta g 90 grados. / Dr. Hugh Osborn (University of Bern)

Referencia:

Rafael Luque et al. “A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067”. Nature, 2023