Un extraño par de planetas desafía las teorías sobre su formación

A 190 años luz de la Tierra, en la vasta inmensidad de la Vía Láctea, se identificó una pareja planetaria que desafía las nociones tradicionales sobre cómo se forman los mundos. Un gigante gaseoso conocido como hot Jupiter, típicamente encontrado solo, comparte su sistema con un mini-Neptuno que orbita aún más cerca de su estrella. Este hallazgo, que sorprendió a los científicos desde su descubrimiento en 2020, fue analizado más a fondo por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Los científicos utilizaron el Telescopio Espacial James Webb (JWST) para estudiar la atmósfera del mini-Neptuno, lo que marcó la primera vez que se midió la composición atmosférica de un mini-Neptuno ubicado dentro de la órbita de un hot Jupiter. El análisis reveló que la atmósfera del mini-Neptuno es sorprendentemente densa y contiene moléculas más pesadas, como vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y trazas de metano. Este tipo de atmósfera sería poco probable si el planeta se hubiera formado cerca de su estrella, donde predominan los gases más ligeros.

Los investigadores sugirieron que tanto el mini-Neptuno como el hot Jupiter probablemente se formaron mucho más lejos de su estrella, en una región más fría del disco de gas y polvo del sistema. En este ambiente, los materiales helados y compuestos volátiles podrían acumularse más fácilmente, permitiendo que los planetas desarrollen atmósferas más gruesas y pesadas. Con el tiempo, ambos planetas migraron hacia el interior, acercándose a su estrella mientras mantenían sus atmósferas y su inusual disposición orbital.

Este descubrimiento proporciona la primera evidencia clara de que los mini-Neptunes pueden formarse más allá de la "línea de congelación" de una estrella, donde las temperaturas son lo suficientemente bajas para que el agua se congele en hielo. Según Saugata Barat, postdoctorado en el Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT y autor principal del estudio, "esta es la primera vez que hemos observado la atmósfera de un planeta que se encuentra dentro de la órbita de un hot Jupiter. Esta medición confirma que este mini-Neptuno efectivamente se formó más allá de la línea de congelación, dando validez a este canal de formación".

El equipo de investigación incluyó científicos de diversas instituciones alrededor del mundo, entre ellas el Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics, la Universidad de Queensland del Sur, la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Lund.

Los mini-Neptunes son más pequeños que Neptuno y están compuestos principalmente de gas que rodea un núcleo rocoso. Aunque son el tipo de planeta más común en la Vía Láctea, no existen en nuestro propio sistema solar. En 2020, Chelsea X. Huang, entonces becaria postdoctoral en el MIT (actualmente en la facultad de la Universidad de Queensland del Sur), identificó este sistema inusual. El mini-Neptuno fue hallado orbitando junto a un hot Jupiter, algo que raramente se observa.

Utilizando datos del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), el equipo estudió una estrella llamada TOI-1130 y detectó ambos planetas. El mini-Neptuno completa una órbita cada cuatro días, mientras que el hot Jupiter lo hace en ocho días. Huang destacó que "este fue un sistema único en su tipo. Los hot Jupiters son 'solitarios', lo que significa que no tienen planetas compañeros dentro de sus órbitas. Su gravedad es tan fuerte que cualquier objeto dentro de su órbita tiende a ser expulsado. Sin embargo, en este caso, un compañero interno ha sobrevivido, lo que plantea preguntas sobre cómo pudo formarse un sistema así".

Observar el planeta no fue una tarea sencilla. A diferencia de la mayoría de los planetas, que siguen horarios orbitales predecibles, este par se encuentra en lo que los científicos llaman "resonancia de movimiento medio". La gravedad de cada planeta altera ligeramente la órbita del otro, haciendo que sus movimientos sean menos regulares y más difíciles de predecir. Para superar este desafío, un equipo liderado por Judith Korth de la Universidad de Lund recopiló observaciones previas y creó un modelo para determinar exactamente cuándo los planetas pasarían frente a su estrella de manera que el JWST pudiera observarlos.

Una vez que se determinó el momento adecuado, el JWST capturó datos detallados en múltiples longitudes de onda. "La belleza del JWST es que no observa solo en un color, sino en diferentes colores, o longitudes de onda", explicó Barat. "Y las longitudes de onda específicas que un planeta absorbe pueden revelar mucho sobre la composición de su atmósfera". Los datos revelaron fuertes firmas de agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre, junto con cantidades menores de metano. Estas moléculas más pesadas contrastan con el hidrógeno y helio más ligeros que típicamente se esperan en planetas que se forman cerca de sus estrellas.

Este hallazgo desafía las suposiciones previas y apoya la idea de que TOI-1130b se formó mucho más lejos antes de migrar hacia el interior. El planeta probablemente acumuló su atmósfera en una región fría más allá de la línea de congelación, donde el agua se congela sobre granos de polvo y forma partículas heladas. A medida que el joven planeta se movía hacia el interior, el hielo se evaporaría, dejando atrás la atmósfera densa que se observa hoy. Barat concluyó que la presencia de estas moléculas pesadas confirma que ambos planetas probablemente se originaron en las regiones exteriores de su sistema y migraron juntos hacia el interior mientras preservaban sus atmósferas. "Este sistema representa una de las arquitecturas más raras que los astrónomos han encontrado", agregó. Las observaciones de TOI-1130b proporcionan la primera pista de que tales mini-Neptunes que se forman más allá de la línea de agua/hielo están efectivamente presentes en la naturaleza.

Este trabajo fue apoyado, en parte, por NASA.