Descubren un inusual sistema planetario que desafía los modelos de formación de planetas

Recreación de GJ 3512

Un equipo de astrónomos del consorcio CARMENES, en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias, ha descubierto un anómalo planeta gigante gaseoso alrededor de la enana roja GJ 3512, ubicada a unos 30 años luz de la Tierra. Su excéntrica órbita podría indicar la presencia de otro planeta masivo. En el estudio han participado, entre otros, los telescopios de 40 cm de Las Cumbres Observatory (LCO) en el Observatorio del Teide. El hallazgo se publica en la revista Science.

Un estudio del consorcio CARMENES, liderado por el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, CSIC) y con participación del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha descubierto un planeta gigante gaseoso orbitando la cercana estrella enana roja GJ 3512, ubicada a unos 30 años luz de distancia de la Tierra.

Con una décima parte de la masa del Sol, GJ 3512 es casi idéntico a Próxima Centauri y sólo un poco más masivo que la estrella de Teegarden y la estrella TRAPPIST-1, que contienen planetas terrestres en órbitas templadas, pero no gigantes gaseosos. La presencia de este tipo de planeta alrededor de una estrella de baja masa no concuerda con ninguno de los actuales modelos de formación planetaria.

Los investigadores creen que el planeta probablemente se formó a partir de la división en diferentes fragmentos de un disco de material inestable alrededor de la estrella cuando era aún joven. Esto contrasta con la forma en que se cree que se forman la mayoría de los planetas gigantes, donde estos crecen lentamente a medida que el gas cae sobre un núcleo sólido.

Para realizar el hallazgo, los astrónomos han utilizado la técnica Doppler, que mide el movimiento de ida y vuelta de una estrella cuando la orbitan uno o más planetas. Sin embargo, GJ 3512 estuvo a punto de no entrar en la lista de objetivos a observar.  “Inicialmente, esta estrella no estaba incluida en nuestra lista de observación porque era demasiado débil – explica Ignasi Ribas, científico del proyecto CARMENES y director del IEEC– , pero nos dimos cuenta de que no teníamos suficientes estrellas pequeñas en la muestra y, en el último minuto, añadimos algunas. Tuvimos la suerte de hacerlo porque de otra manera nunca hubiéramos hecho este descubrimiento".

Pero no fue ésta la única sorpresa. Después de algunas observaciones iniciales, esta estrella llamó la atención de la comunidad científica y dio lugar a un mayor seguimiento. "La estrella mostró muy pronto un comportamiento bastante extraño. Su velocidad cambiaba muy rápidamente, indicando la presencia de un compañero masivo, una característica anómala para una enana roja", explica Juan Carlos Morales, investigador del IEEC/ICE que ha liderado el estudio. Este planeta gigante podría haber sido expulsado del sistema en el pasado, siendo ahora un cuerpo errante en el vacío galáctico.

Un modelo por completar

Tras el hallazgo, investigadores del IEEC, el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y otros institutos del consorcio CARMENES) han establecido una colaboración con el Observatorio de Lund (Suecia), y la Universidad de Berna (Suiza), líderes mundiales en teoría de formación de planetas, para estudiar escenarios plausibles para este sistema.

Hasta ahora, el llamado "modelo de acreción del núcleo" para la formación de planetas se consideraba suficiente para explicar a Júpiter y Saturno en nuestro sistema solar, y a muchos otros planetas gigantes gaseosos descubiertos alrededor de otras estrellas. Este modelo asume que los planetas se forman en dos fases: primero, se crean núcleos rocosos, del tamaño de unas pocas masas terrestres, en el disco protoplanetario; y luego, cuando llegan a una masa crítica, comienzan a acumular y retener grandes cantidades de gas hasta que alcanzan el tamaño igual o superior a Júpiter.

Sin embargo, las estrellas de baja masa deberían tener proporcionalmente discos livianos, por lo que la cantidad de material disponible en el disco para formar planetas también se reduce significativamente. “Después de realizar múltiples simulaciones para tratar de explicar el sistema, concluimos que nuestros modelos más actualizados nunca podrían explicar la formación de un solo planeta gigante y mucho menos de dos", señala Alexander Mustill, investigador principal del Observatorio de Lund.

Un posible escenario alternativo es el "modelo de inestabilidad en disco" que sostiene que algunos o quizás todos los planetas gigantes gaseosos pueden formarse directamente a partir de la autoacumulación gravitacional de gas y polvo en lugar de requerir de un núcleo que actúe como "semilla". Aunque este escenario es plausible hasta ahora ha sido mayormente ignorado porque no explica otras tendencias observadas en la población de planetas gigantes gaseosos. Este nuevo descubrimiento de CARMENES está destinado a cambiar esta situación.

“Me parece fascinante cómo una sola observación anómala tiene el potencial de producir un cambio de paradigma en nuestro pensamiento, en algo tan esencial como la formación de planetas y, por lo tanto, en el panorama general de cómo nuestro propio sistema solar llegó a existir", subraya Morales.

CARMENES, un espectrógrafo pionero

La señal del exoplaneta descubierto ha sido detectada claramente con ambos brazos, visible e infrarrojo, del espectrógrafo cazaplanetas CARMENES, instalado en el telescopio de 3,5 m del Observatorio de Calar Alto (Almería). Este instrumento, en funcionamiento desde 2016, fue construido en colaboración con 11 instituciones de investigación de España y Alemania. Su brazo infrarrojo fue la principal contribución de los institutos españoles al Consorcio. Con el reciente descubrimiento, CARMENES ha logrado la primera detección de un exoplaneta utilizando únicamente un espectrómetro de nueva generación y de alta precisión en el infrarrojo cercano.

"A pesar de que los espectrógrafos ópticos estabilizados y de alta resolución existen desde hace tiempo, los que trabajan en el infrarrojo cercano representan una nueva tecnología”, explica Ansgar Reiners, del Instituto de Astrofísica de Göttingen (Alemania). “Como su nombre indica, las enanas rojas emiten la mayor parte de su luz en las regiones rojas e infrarrojas cercanas del espectro, por lo que CARMENES ha sido fundamental en este hallazgo”, destaca el investigador.

Para este descubrimiento, el consorcio CARMENES también ha utilizado otras infraestructuras científicas como el Telescopio Joan Oró (TJO) del IEEC en el Observatorio del Montsec, las instalaciones del Observatorio de Sierra Nevada (IAA, CSIC), y los telescopios de 40 cm de Las Cumbres Observatory (LCO) en el Observatorio del Teide. Para Lucía González Cuesta, estudiante de doctorado del IAC que ha participado en el estudio, estos últimos telescopios “han jugado un papel especial en el descubrimiento, permitiéndonos determinar el periodo de rotación de la estrella y confirmar que la señal se debe a un planeta y no a actividad estelar.”

El consorcio CARMENES continúa monitoreando la estrella para confirmar la existencia de un segundo objeto, posiblemente un objeto similar a Neptuno, con un período orbital más largo. Además, los científicos no han descartado la presencia de planetas terrestres en órbitas templadas alrededor de GJ 3512, con lo que podría tratarse de un Sistema Solar a pequeña escala.

Artículo: J. C. Morales et al. “A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models”, Science, Vol. 365, sep 2019. https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aax3198.

Coautores en el IAC: V. J. S. Béjar, L. González-Cuesta, R. Luque, E. Pallé,  C. Cardona Guillén, N. Casasayas-Barris, Dorda, R., J. I. González Hernández, Holgado, G., N. Lodieu, L. Nortmann, G. Nowak, R. Rebolo y P. Redondo.

Más información:

Nota de prensa del IEEC

Contacto:

Juan Carlos Morales, investigador del IEEC/ICE: morales [at] ice.cat

Lucía González Cuesta, investigadora del IAC: luciagc [at] iac.es">luciagc [at] iac.es

 

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