Las observaciones del Webb descubren un nuevo planeta con una densidad parecida a un "algodón de azúcar"
Un sistema planetario inusual con tres planetas "superbuff" de densidad ultrabaja conocidos tiene al menos un planeta más, según una nueva investigación dirigida por investigadores de Penn State y la Universidad de Osaka.
El equipo de investigación se propuso estudiar Kepler-51d, el tercer planeta del sistema, con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, pero casi pierde su oportunidad cuando el planeta pasó inesperadamente frente a su estrella dos horas antes de lo que predijeron los modelos.
Superplanetas de densidad ultrabajas
Después de examinar datos nuevos y de archivo de una variedad de telescopios espaciales y terrestres, los investigadores encontraron que la mejor explicación es la presencia de un cuarto planeta, cuya atracción gravitatoria impacta las órbitas de los otros planetas del sistema.
El descubrimiento del nuevo planeta se detalla en un artículo que aparece en The Astronomical Journal.
"Los planetas superhinchadoso superglobos son muy inusuales porque tienen muy poca masa y poca densidad", dijo Jessica Libby-Roberts, investigadora postdoctoral del Centro de Exoplanetas y Mundos Habitables de Penn State y coautora principal del artículo.
"Los tres planetas conocidos hasta ahora que orbitan alrededor de la estrella Kepler-51 tienen aproximadamente el tamaño de Saturno, pero sólo unas pocas veces la masa de la Tierra, lo que da como resultado una densidad similar a la del algodón de azúcar. Creemos que tienen núcleos diminutos y enormes atmósferas de hidrógeno y helio, pero sigue siendo un misterio cómo se formaron estos extraños planetas y cómo sus atmósferas no han sido destruidas por la intensa radiación de su joven estrella. Planeamos utilizar el JWST para estudiar uno de estos planetas y ayudar a responder estas preguntas, pero ahora tenemos que explicar un cuarto planeta de baja masa en el sistema".
Cuando un planeta pasa frente a su estrella (o la transita), visto desde la Tierra, bloquea parte de su luz, lo que provoca una ligera disminución de su brillo. La duración y la magnitud de esa disminución dan pistas sobre el tamaño del planeta y otras características.
Los planetas transitan cuando completan una órbita alrededor de su estrella, pero a veces lo hacen unos minutos antes o después porque la gravedad de otros planetas del sistema los atrae. Estas pequeñas diferencias se conocen como variaciones en el tiempo de tránsito y están incorporadas en los modelos de los astrónomos para permitirles predecir con precisión cuándo transitarán los planetas.
Los investigadores dijeron que no tenían motivos para creer que el modelo de tres planetas del sistema Kepler-51 fuera inexacto y utilizaron con éxito el modelo para predecir el tiempo de tránsito de Kepler-51b en mayo de 2023 y realizaron un seguimiento con el telescopio Apache Point Observatory (APO) para observarlo en el horario previsto.
"También intentamos utilizar el telescopio Davey Lab de Penn State para observar un tránsito de Kepler-51d en 2022, pero algunas nubes que se produjeron en un mal momento bloquearon nuestra visión justo cuando se predijo que comenzaría el tránsito", dijo Libby-Roberts. "Es posible que nos hayamos dado cuenta de que algo no iba bien en ese momento, pero no teníamos motivos para sospechar que Kepler-51d no transitaría como se esperaba cuando planeamos observarlo con el JWST".
El modelo de tres planetas del equipo predijo que Kepler-51d transitaría alrededor de las 2 a. m. EDT en junio de 2023, y los investigadores se prepararon para observar el evento tanto con JWST como con APO.
Para ayudar a explicar lo que está sucediendo en el sistema Kepler-51, el equipo de investigación revisó datos de tránsito anteriores del telescopio espacial Kepler de la NASA y del Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA. También realizaron nuevas observaciones de los planetas interiores del sistema, incluso con el Telescopio Espacial Hubble y el telescopio del Observatorio Palomar del Instituto Tecnológico de California, y obtuvieron datos de archivo de varios telescopios terrestres.
Como el nuevo planeta, Kepler-51e, aún no ha sido observado en tránsito (quizás porque no pasa en la línea de visión entre su estrella y la Tierra), los investigadores notaron lo importante que era obtener la mayor cantidad de datos posible para respaldar sus nuevos modelos.
"Realizamos lo que se llama una búsqueda de 'fuerza bruta', probando muchas combinaciones diferentes de propiedades planetarias para encontrar el modelo de cuatro planetas que explica todos los datos de tránsito recopilados durante los últimos 14 años", dijo Masuda.
"Hemos descubierto que la señal se explica mejor si Kepler-51e tiene una masa similar a la de los otros tres planetas y sigue una órbita bastante circular de unos 264 días, algo que esperaríamos si nos basamos en otros sistemas planetarios. Otras posibles soluciones que hemos encontrado implican un planeta más masivo en una órbita más amplia, aunque creemos que son menos probables".
La consideración de un cuarto planeta y el ajuste de los modelos también modifican las masas esperadas de los demás planetas del sistema. Según los investigadores, esto afecta a otras propiedades inferidas sobre estos planetas y proporciona información sobre cómo podrían haberse formado. Aunque los tres planetas interiores son ligeramente más masivos de lo que se creía anteriormente, siguen clasificándose como superplanetas. Sin embargo, no está claro si Kepler-51e también es un superplaneta, porque los investigadores no han observado un tránsito de Kepler-51e y, por lo tanto, no pueden calcular su radio o densidad.
"Los planetas superglobo son bastante raros y, cuando aparecen, suelen ser los únicos en un sistema planetario", dijo Libby-Roberts. "Si tratar de explicar cómo se formaron tres superglobos en un sistema no fuera lo suficientemente difícil, ahora tenemos que explicar un cuarto planeta, ya sea un superglobo o no. Y tampoco podemos descartar planetas adicionales en el sistema".
Como los investigadores creen que Kepler-51e tiene una órbita de 264 días, dijeron que se necesita tiempo de observación adicional para obtener una mejor imagen de los impactos de su gravedad (o la de planetas adicionales) en los tres planetas interiores del sistema.
"Kepler-51e tiene una órbita ligeramente más grande que Venus y está justo dentro de la zona habitable de la estrella, por lo que podría haber mucho más más allá de esa distancia si nos tomamos el tiempo de observar", dijo Libby-Roberts. "Seguir observando las variaciones en el tiempo de tránsito podría ayudarnos a descubrir planetas que están más lejos de sus estrellas y podría ayudar en nuestra búsqueda de planetas que podrían albergar vida".
Los investigadores están analizando actualmente el resto de los datos del JWST, que podrían proporcionar información sobre la atmósfera de Kepler-51d. El estudio de la composición y otras propiedades de los tres planetas interiores también podría mejorar la comprensión de cómo se formaron los inusuales superplanetas de densidad ultrabaja, dijeron los investigadores.
Fuente: Universidad Estatal de Pensilvania
Referencia
Kento Masuda et al, A Fourth Planet in the Kepler-51 System Revealed by Transit Timing Variations, The Astronomical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-3881/ad83d3