La formación de planetas en órbitas amplias y el caso del Planeta Nueve

Fuente Planetary Science Institute

En las frías y oscuras afueras de sistemas planetarios, mucho más allá del alcance de los planetas conocidos, misteriosos gigantes gaseosos y masas planetarias orbitan sus estrellas, a veces miles de veces más lejos que la distancia entre el Sol y la Tierra, una distancia que los científicos llaman unidad astronómica o UA. Durante años, los científicos se han preguntado cómo pudieron formarse estos planetas de «órbita ancha», incluyendo el esquivo Planeta Nueve, teorizado en nuestro propio Sistema Solar. Ahora, un equipo de astrónomos podría haber encontrado finalmente la respuesta.

En un nuevo estudio publicado en Nature Astronomy, investigadores de la Universidad Rice y del Instituto de Ciencias Planetarias utilizaron simulaciones complejas para demostrar que los planetas de órbita ancha no son anomalías, sino subproductos naturales de una caótica fase temprana en el desarrollo de sistemas planetarios. Esta fase ocurre mientras las estrellas aún están compactas en sus cúmulos de nacimiento y los planetas compiten por el espacio en sistemas turbulentos y abarrotados.

“Simulamos la captura de planetas en órbitas distantes entre diversos sistemas planetarios hipotéticos, y lo interesante es que descubrimos que las arquitecturas de sistemas solares como la nuestra tienen la mayor probabilidad de capturar este tipo de planetas”, afirmó Nathan Kaib, coautor del estudio, científico sénior del PSI y especialista sénior en educación y comunicación con sede en Dubuque, Iowa. “Esto refuerza la creencia de que un noveno planeta podría estar acechando en el Sistema Solar exterior”.

Kaib colaboró ​​con el autor principal en el desarrollo del software de simulación que les permitió simular el proceso de captura de planetas en un cúmulo estelar. También ofreció su opinión sobre el análisis y el proceso de redacción.

Pinball Planetario

“Básicamente, estamos viendo pinballs en una sala de juegos cósmica”, afirmó André Izidoro, autor principal del estudio y profesor adjunto de la Universidad Rice. “Cuando los planetas gigantes se dispersan entre sí mediante interacciones gravitacionales, algunos son expulsados ​​lejos de su estrella. Si el momento y el entorno circundante son los adecuados, esos planetas no son expulsados, sino que quedan atrapados en órbitas extremadamente amplias”.

Para el estudio, el equipo realizó miles de simulaciones con diferentes sistemas planetarios integrados en entornos realistas de cúmulos estelares. Modelaron diversas condiciones, desde sistemas como nuestro Sistema Solar, con una mezcla de gigantes gaseosos y helados, hasta sistemas más exóticos, incluyendo aquellos con dos soles. Descubrieron un patrón recurrente: los planetas eran empujados frecuentemente a órbitas amplias y excéntricas por inestabilidades internas, y luego estabilizados por la influencia gravitacional de las estrellas cercanas del cúmulo.

“Cuando estos impulsos gravitacionales ocurren en el momento justo, la órbita de un planeta se desacopla del sistema planetario interior”, explicó Kaib. Esto crea un planeta de órbita ancha, uno que prácticamente se queda congelado tras la dispersión del cúmulo.

Los investigadores definen los planetas de órbita ancha como aquellos con semiejes mayores entre 100 y 10 000 UA, distancias que los sitúan muy por encima del alcance de la mayoría de los discos de formación planetaria tradicionales.

Los hallazgos podrían ayudar a explicar el antiguo misterio del Planeta Nueve, un hipotético planeta que se cree orbita nuestro Sol a una distancia de entre 250 y 1000 UA. Aunque nunca se ha observado directamente, las extrañas órbitas de varios objetos transneptunianos apuntan a su presencia. Sus simulaciones muestran que existe hasta un 40 % de probabilidad de que un objeto similar al Planeta Nueve haya quedado atrapado.

El estudio también vincula los planetas de órbita ancha con la creciente población de planetas errantes, que son mundos expulsados ​​por completo de sus sistemas.

«No todos los planetas dispersos tienen la suerte de quedar atrapados», afirmó Kaib. La mayoría terminan siendo lanzados al espacio interestelar. Pero la velocidad a la que quedan atrapados nos proporciona una conexión entre los planetas que observamos en órbitas amplias y los que encontramos vagando solos por la galaxia.

Este concepto de «eficiencia de atrapamiento», que es la probabilidad de que un planeta disperso permanezca ligado a su estrella, es fundamental para el estudio. Los investigadores descubrieron que sistemas solares similares al nuestro son particularmente eficientes, con probabilidades de atrapamiento del 5 al 10 %. Otros sistemas, como los compuestos únicamente por gigantes de hielo o planetas circumbinarios, presentaron eficiencias mucho menores.

«Esperamos aproximadamente un planeta de órbita amplia por cada mil estrellas», afirmó Izidoro. «Puede parecer poco, pero considerando miles de millones de estrellas en la galaxia, la cifra es considerable».

Además, el estudio identifica nuevos objetivos prometedores para los buscadores de exoplanetas. Sugiere que es más probable que los planetas de órbita amplia se encuentren alrededor de estrellas de alta metalicidad que ya albergan gigantes gaseosos, lo que convierte a estos sistemas en candidatos ideales para campañas de imágenes profundas. Los investigadores también señalaron que, de existir el Planeta Nueve, podría descubrirse poco después de la entrada en funcionamiento del Observatorio Vera C. Rubin. Gracias a su capacidad incomparable para estudiar el cielo con profundidad y detalle, se espera que el observatorio impulse significativamente la búsqueda de objetos distantes del Sistema Solar, aumentando la probabilidad de detectar el Planeta Nueve o de proporcionar la evidencia necesaria para descartar su existencia.