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ICE (Institut de Ciències de l'Espai)

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The mission of the Institute of Space Sciences (ICE) is to contribute to the general advance of the Cosmos studies, helping to improve CSIC's scientific and technological capacity, as well as to reinforce the presence of CSIC in the space initiatives, to promote excellence in all the activities related to scientific research and outreach and to articulate the contribution of the CSIC to the "Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)". The ICE was created as an institute in formation in 1999 and acquired its definitive plenary status in January 2008. http://www.ice.cat

Un exoplaneta gigante alrededor de una estrella pequeña desafía nuestra comprensión sobre cómo se forman los sistemas planetarios

Fuente: ICE | Publicado: 23-10-2019
Un estudio del consorcio CARMENES liderado por investigadores del IEEC en el ICE (CSIC) informa acerca del descubrimiento de un sistema planetario anómalo alrededor de la enana roja GJ 3512, que se encuentra ubicada a unos 30 años luz de la Tierra. Aunque la estrella tiene solo una décima parte la masa del Sol, posee al menos un planeta gigante gaseoso.
Derechos: Infografía de la comparación de la órbita de GJ3512 Credit: Guillem Anglada-Escude - IEEC, using SpaceEngine.org. Distribution license: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
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Astrónomos del consorcio CARMENES, liderados por Juan Carlos Morales, investigador del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, CSIC), han descubierto uno, e incluso dos, planetas gigantes gaseosos orbitando alrededor de la cercana estrella enana roja GJ 3512.

Para descubrir los planetas, 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!

«CARMENES fue construido para encontrar planetas alrededor de las estrellas más pequeñas, pero también queríamos que fueran lo más brillantes posible. Inicialmente, esta estrella no estaba incluida en nuestra lista de observación porque era demasiado débil», declara Ignasi Ribas, científico del proyecto CARMENES y director del IEEC. «Entonces 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».



Las 140 observaciones revelan claramente un movimiento de la estrella causado por un compañero masivo, tanto en el brazo óptico como en el infrarrojo del espectrógrafo CARMENES. El brazo infrarrojo de CARMENES fue la principal contribución de los institutos españoles al consorcio y fue construido en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC). El instrumento está en funcionamiento desde 2016 y está colocado en el telescopio de 3,5 metros del Observatorio de Calar Alto, en Almería.



«Como su nombre indica, las enanas rojas emiten la mayor parte de su luz en las regiones rojas e infrarrojas cercanas del espectro electromagnético. CARMENES fue diseñado para usar de manera óptima todas las longitudes de onda de la luz en las que las estrellas son más brillantes», explica Ansgar Reiners, del Instituto de Astrofísica de Göttingen (Alemania). «A pesar de que los espectrógrafos ópticos estabilizados de alta resolución existen desde hace tiempo, por ejemplo el famoso instrumento caza-planetas HARPS, los que trabajan en el infrarrojo cercano representan una nueva tecnología».

Con este descubrimiento, CARMENES consigue la primera detección de un exoplaneta utilizando únicamente un instrumento de nueva generación y de alta precisión en el infrarrojo cercano, lo que pone en relieve una vez más el papel de liderazgo desempeñado por los investigadores europeos en el campo de los exoplanetas desde telescopios terrestres. Una detección anterior de un exoplaneta usando un espectrómetro infrarrojo requirió el uso de otras varias instalaciones para su confirmación [1].



Después de algunas observaciones iniciales, esta estrella llamó la atención de los científicos y dio lugar a un mayor seguimiento. «La estrella mostró muy pronto un comportamiento bastante extraño. Su velocidad cambiaba muy rápidamente y de manera equivalente en los dos canales del instrumento, indicando la presencia de un compañero masivo, una característica anómala para una enana roja», explica Juan Carlos Morales.



GJ 3512 es casi idéntica a Próxima Centauri y sólo un poco más masiva que la Estrella de Teegarden y TRAPPIST-1. Todas ellas albergan planetas terrestres en órbitas templadas y compactas, pero no gigantes gaseosos. «Se está convirtiendo en la norma esperar pequeños planetas alrededor de estas estrellas pequeñas, así que inicialmente pensamos que este gran movimiento tenía que ser causado por otra estrella con un período orbital muy largo. Seguimos observándola, pero con poca intensidad. Para nuestra sorpresa, el movimiento comenzó a repetirse de nuevo en la siguiente temporada, indicando que en realidad estaba siendo producido por un planeta. En ese momento, GJ 3512 finalmente entró en la lista de máxima prioridad», explica el Dr. Morales.

«El Telescopi Joan Oró del IEEC en el Observatori Astronòmic del Montsec, de 80 cm de diámetro, jugó un papel importante en el descubrimiento, permitiéndonos determinar el período de rotación del sistema, que es de 87 días. Este es un dato importante para confirmar que la señal se debe a un planeta y no a actividad estelar, así como para estimar la edad del sistema», declara Enrique Herrero, investigador del IEEC a cargo de las observaciones con el Telescopi Joan Oró.



Los modelos de formación de planetas deberían ser capaces de explicar cómo los sistemas planetarios llegan a existir alrededor de estrellas como nuestro Sol, pero también alrededor de estrellas más pequeñas. Hasta ahora, el llamado «modelo de acreción del núcleo» para la formación de planetas se consideraba suficiente para explicar la formación de Júpiter y Saturno en nuestro sistema solar, y la de muchos otros planetas gigantes gaseosos descubiertos alrededor de otras estrellas.



El «modelo de acreción del núcleo» 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 se llega a una masa crítica, comienzan a acumular y retener grandes cantidades de gas hasta que alcanzan el tamaño de Júpiter, o más.



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 de manera significativa. La presencia de un gigante gaseoso alrededor de una estrella tan pequeña indica que el disco original era anormalmente denso [2] o que el escenario de acreción de masa sobre el núcleo no aplica en este caso. Además, este planeta está en una órbita excéntrica, que sugiere la presencia de otro planeta gigante que fue expulsado del sistema en el pasado, siendo ahora un cuerpo errante en el vacío galáctico.



Investigadores del IEEC, el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y otros institutos del consorcio CARMENES establecieron una colaboración con los grupos de formación de planetas del Observatorio de Lund (Suecia) y la Universidad de Berna (Suiza), todos ellos líderes mundiales en teoría de formación de planetas, con el fin de estudiar escenarios de formación plausibles para este sistema.

«Después de realizar múltiples simulaciones y tras largas discusiones entre los diferentes grupos 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», explica Alexander Mustill, investigador del Observatorio de Lund.



Pero hay un posible escenario alternativo de formación de planetas que podría ser la solución. El «modelo de inestabilidad del disco» defiende 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 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», declara Juan Carlos Morales.

El consorcio CARMENES continúa observando la estrella para confirmar la existencia de un segundo objeto, posiblemente un planeta 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. Más datos dirán si se trata finalmente de un sistema equivalente a nuestro sistema solar a pequeña escala.

Notas
[1] Técnicamente, la primera detección firme de exoplanetas mediante el uso de un espectrómetro infrarrojo de alta resolución fue hecha con CSHELL en IRTF, y corresponde a un objeto masivo en el límite entre un planeta y una enana marrón (~13 veces la masa de Júpiter) orbitando a la estrella CI Tau . CARMENES es un instrumento de nueva generación construido específicamente para la búsqueda de exoplanetas. Desde que CARMENES inició sus operaciones, varios instrumentos similares entraron en operación en los principales observatorios del mundo, como el Telescopio Subaru y el Telescopio Canadá-Francia-Hawaii, ambos en Mauna Kea, Hawaii.
[2] La existencia de estos discos anómalos y masivos no está confirmada actualmente por las observaciones de las regiones de formación estelar.

Observatorios e instrumentos
El instrumento CARMENES ( Calar Alto High-Resolution Search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs) es un espectrógrafo óptico e infrarrojo cercano de alta resolución construido en colaboración con 11 instituciones de investigación españolas y alemanas, y está operado por el Observatorio de Calar Alto (España).

Enlaces
- CARMENES
- Observatorio de Calar Alto
- IEEC
- Observatorio Astronómico del Montsec


Referencia al artículo: https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1441
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