Reflexiones desde el misterioso Valle de los Exoplanetas Evaporados.

Tras unos días durante los que he tenido que dedicarme a temas profesionales, vuelvo al blog con fuerza, escribiendo sobre un tema tan misterioso como apasionante. Nuestro conocimiento de los sistemas planetarios no para de aumentar, cada vez sabemos más y más… y lo que vamos conociendo es simplemente alucinante.

Comencemos:

Representación artística de un minieptuno perdiendo su atmósfera por efecto de la fotoevaporación. Se piensa que este pueda ser el caso del planeta GJ 436 b. (Fuente: NASA. ESA. G. Bacon)

Uno de los resultados más interesantes del Telescopio Espacial Kepler es que ha permitido el estudio de una abundante población de varios miles de planetas con tamaños entre los de la Tierra y Neptuno. Son planetas muy cercanos a sus estrellas, con periodos inferiores a 100 días y altamente irradiados.

Los primeros estudios dieron la sorpresa: había una población muy abundante de planetas con radios entre el de la Tierra y Neptuno. (Fuente: Nasa Ames, con modificaciones de Lauren Weiss)

Sin duda una población muy distinta de la que podemos observar en el Sistema Solar interno. Las observaciones iniciales arrojaron la primera sorpresa, mostrando que esta población heterogénea de Supertierras/Minineptunos (entre 1,0 y 3,9 R⊕, Batalha et al. 2013), aunque inexistente en el Sistema Solar, era la más numerosa de nuestra Galaxia.

Luego vino la necesidad de diferenciar las Supertierras de los Minineptunos, y definir un umbral que los separe. El más famoso quizá fue el de Leslie Rogers de 2015 (1,6 R⊕). Por debajo de este umbral predominan las Supertierras rocosas, por encima, Minineptunos de baja densidad, cubiertos por una importante envoltura gaseosa.

El análisis posterior más detallado ha mostrado que realmente se componía de dos subpoblaciones claramente separadas por una zona de transición. El resultado es que la distribución del radio de los planetas se muestra claramente bimodal, con un "Valle" en torno a 1,5-2 R⊕ rodeado por dos picos en 1,3 y 2,4 R⊕.

Nuevos estudios aportan nuevas sorpresas: Hay un "Valle" entre las Supertierras y los Minineptunos (Fuente: Nasa Ames, con modificaciones de Lauren Weiss)

Si seguimos a James E. Owen (Princetown) el "Valle de la Evaporación" no es ni mucho menos sorprendente. De hecho, es una predicción de los modelos de fotoevaporación. Estos modelos predicen que los planetas con poco gas (H/He) son despojados de su envoltura gaseosa quedando en sus núcleos desnudos, rocosos. Por el contrario, los que están provistos de suficientemente gas consiguen aguantar la radiación XUV y permanecen gaseosos.  Es decir, un resultado común de los modelos de formación de planetas que incluyen la fotoevaporación es un “Valle” en la distribución de radios planetarios.

James Owen durante una reciente charla sobre exoplanetas en el #KeplerSciCon. (Fuente: Zafar Rustamkulov)

Hay más predicciones confirmadas. Además hay una caída abrupta de planetas por encima de 2,6 R⊕, también observada, que los modelos reproducen bien. Es, al parecer, debida a que los minineptunos más grandes pierden fácilmente su gas debido a que son muy poco densos y las capas más externas pierden fácilmente su vinculación al planetas, por estas alejadas,

La zona sombreada son los datos observados, frente a las predicciones del modelo de fotoevaporación (cuva roja). Se ajusta bastante bien, salvo en la montaña de los planetas rocosos, en los que hay demasiados planetas no explicados por el modelo. Quizá planetas rocosos en origen formados "in situ", como la Tierra.  (Fuente: Owen, 2017)

Según estos modelos la mayoría de los planetas rocosos observados por Kepler podrían tener una naturaleza y origen muy distintos a los de nuestra Tierra. Simplemente, podrían ser los núcleos desnudos de Minineptunos que perdieron su envoltura gaseosa, arrancada por la intensa radiación de la cercana estrella.

Sin embargo, el modelo de fotoevaporación no produce muchos planetas desnudos más allá de ~50 días de periodo orbital. Es decir, el mecanismo de fotoevaporación produce muy pocos planetas desnudos en tales condiciones. Como sí han sido observados hay que invocar orígenes distintos para estos planetas. Son, en principio, planetas formados inicialmente como planetas rocosos, tal vez más parecidos a los planetas terrestres del Sistema Solar.

Pero hay más. Para explicar los datos observados los núcleos desnudos no podrían estar compuestos por metales o ser Mundos Océano. Por el contrario, su composición debería ser similar a la de la Tierra. La falta de agua invita además a considerar que son mundos formados “in situ”, en los que no abundan las migraciones planetarias.

Pensemos en esto. Aplicando argumentos basados en la fotoevaporación, en la muestra de exoplanetas de Kepler podría haber pocos Mundos Océano. En otro caso dejarían su marca, formando “Valles” en zonas contrarias a los datos observados.

Algunos autores, como Eric D. Lopez, consideran la fotoevaporación el efecto predominante que explica las propiedades de los principales sistemas planetarios internos de la Galaxia. Estudiando poblaciones muy extremas (menos de 1 día) los modelos de fotoevaporación aplicados por Eric no permiten muchos planetas más allá de 1,4 R⊕, en correspondencia con los datos observados, ya que en esta zona de irradiación muy intensa los minineptunos no pueden retener su atmósfera de hidrógeno por mucho tiempo. Esto es lo que se llama el "Desierto de los minineptunos". Pero claro, si hubiera Mundos Océano estos sí podrían aguantar en esta ubicación y sería posible identificar una población de planetas de unos 2 R⊕. Pero esta población no ha sido observada...

Eric Lopez durante el reciente #KeplerSciCon (Fuente: Zafar Rustamkulov)

En resumen, según estos modelos, que parecen estar describiendo bien los planetas más cercanos a sus estrellas (menos de 100 días), los sistemas planetarios internos tendrían las siguientes características:

1. Están dominados por dos poblaciones de planetas muy abundantes en la Galaxia:  A) Una, son minineptunos con cierta envoltura gaseosa. B) Otra, son Supertierras rocosas, meros núcleos desnudos de minineptunos que han perdido los gases más volátiles (H/He).
2. Además, hay otra población de planetas rocosos que, como la Tierra, han nacido siendo rocosos.
3. Son planetas nacidos “in situ", con escasa provisión de agua (incluso los minineptunos).
4. No abundan los Mundos Océano y otros planetas migrados. No se observan planetas perdiendo una envoltura de vapor de agua.

Da vértigo comprobar lo mucho que se está avanzando...

El "Valle de la Fotoevaporación" tal como lo muestra Fulton en 2017. (Fuente: Fulton, 2017)

2013. Owen y Wu analizan los sistemas planetarios a partir de modelos de fotoevaporación.
https://arxiv.org/abs/1303.3899

2016. Eric Lopez estudia los planetas con un periodo inferior a 1 día.
https://arxiv.org/abs/1610.01170

2016. Lopez y Rice analizan los planetas altamente irradiados identificando una zona de transición cercana a los 1,5 R⊕.
https://arxiv.org/abs/1610.09390

2017. Benjamin Fulton toma los precisos datos de 2.025 exoplanetas para mostrar el “Valle”.
https://arxiv.org/abs/1703.10375

2017. Owen y Wu explican el Valle de la Fotoevaporación. Los resultados observados concuerdan razonablemente bien con los modelos.
https://arxiv.org/abs/1705.10810