Con la ayuda del telescopio WIYN de 3,5 metros ubicado en Kitt Peak, Arizona, los astrónomos lograron descubrir la órbita extrema de un exoplaneta que está camino a convertirse en un Júpiter caliente. Además de seguir una de las órbitas más alargadas de todos los exoplanetas, el cuerpo celeste órbita su estrella al revés, lo que da indicios sobre el misterio de la evolución de los Júpiter calientes.

Dentro de los más de 5.600 exoplanetas confirmados en unos 4.000 sistemas estelares, hay entre 300 y 500 exoplanetas que pertenecen a una curiosa clase que se conoce como Júpiter calientes. Se trata de exoplanetas muy grandes, similares a Júpiter, que orbitan muy cerca de su estrella, algunos tan cerca como Mercurio. Si bien es un misterio la forma en que los Júpiter calientes terminan en órbitas tan cercanas, los astrónomos creen que comienzan en órbitas lejanas a su estrella y luego, con el tiempo, migran hacia órbitas interiores. Las primeras etapas de este proceso rara vez se han observado, pero con este análisis de un exoplaneta con una inusual órbita, los astrónomos están a un paso de descifrar el misterio de los Júpiter calientes.

El descubrimiento de este exoplaneta, llamado TIC 241249530 b, la realizó el Satélite de Exploración de Exoplanetas en Tránsito de la NASA (TESS por sus siglas en inglés) en enero de 2020 debido a la disminución en el brillo de una estrella cuando un planeta del tamaño de Júpiter pasó por delante de ella, o transitó por ella. Para confirmar la naturaleza de estas fluctuaciones y eliminar otras posibles causas, un equipo de astrónomos utilizó dos instrumentos del telescopio WIYN de 3,5 metros en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, un Programa NOIRLab de NSF.
 

El equipo utilizó primeramente el instrumento NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI), financiado por la NASA, con una técnica que ayuda a “congelar” el centelleo atmosférico y a eliminar cualquier fuente extraña que pudiera confundir el origen de la señal. A continuación, utilizando el espectrógrafo NEID, financiado por la NASA, el equipo midió la velocidad radial de TIC 241249530 b observando cuidadosamente cómo se desplazaba el espectro de su estrella anfitriona, o las longitudes de onda de su luz emitida, como consecuencia del exoplaneta que la orbitaba.

Arvind Gupta, investigador postdoctoral de NOIRLab y autor principal del artículo de investigación publicado en Nature, elogió a NESSI y NEID por ser fundamentales en los esfuerzos del equipo de caracterizar y confirmar la señal del exoplaneta: “NESSI nos dio una visión más nítida de la estrella, de la que hubiera sido posible de otro modo, y NEID midió con precisión el espectro de la estrella para detectar desplazamientos como respuesta al planeta en órbita”, explicó Gupta. Además, Gupta destacó la particular flexibilidad del calendario de observaciones de NEID, ya que permite adaptar rápidamente el plan de observación del equipo en función de los nuevos datos.

El director de programa para NOIRLab de NSF, Chris Davis, expresó que “el telescopio WIYN está desempeñando un papel crucial para ayudarnos a comprender por qué los planetas que se encuentran en otros sistemas solares pueden ser tan diferentes de un sistema a otro. La colaboración entre NSF y NASA en el programa NN-EXPLORE sigue dando resultados impresionantes en la investigación de exoplanetas”.

Análisis detallados del espectro confirmaron que el exoplaneta es aproximadamente cinco veces más masivo que Júpiter. El espectro también reveló que el exoplaneta está orbitando a lo largo de una trayectoria extremadamente excéntrica, o alargada. La excentricidad de la órbita de un planeta se mide en una escala de 0 a 1, donde 0 es una órbita circular perfecta y 0.999 es una órbita muy elíptica. Este exoplaneta tiene una excentricidad orbital de 0,94, haciéndolo más excéntrico que la órbita de cualquier otro exoplaneta descubierto mediante el método de tránsito. En comparación, la órbita altamente elíptica de Plutón alrededor del Sol tiene una excentricidad de 0,25, mientras que la excentricidad de la Tierra es de 0,02.

Si este planeta fuera parte de nuestro Sistema Solar, su órbita se extendería desde una posición 10 veces más cerca del Sol que Mercurio (en su máxima aproximación a la estrella), hasta otro punto similar a la distancia de la Tierra al Sol (en su máxima extensión). Esta órbita extrema provocaría en el planeta temperaturas que oscilarían entre las de un día de verano a otras lo suficientemente altas como para fundir titanio.

Además de la naturaleza inusual de la órbita del exoplaneta, el equipo también descubrió que orbita al revés, es decir, en dirección opuesta a la rotación de su estrella anfitriona. Esto no es algo que los astrónomos observen en la mayoría de los exoplanetas, ni en nuestro propio Sistema Solar, y ayuda al equipo a interpretar la historia de la formación del exoplaneta.

Las características orbitales particulares del exoplaneta también dan indicios sobre su futura trayectoria. Se espera que su exagerada órbita excéntrica y su enorme proximidad a su estrella anfitriona, terminen por hacer más circular la órbita del planeta, ya que las fuerzas de marea sobre el planeta restan energía a la órbita y hacen que ésta se encoja y se vuelva más circular de forma gradual. El hecho de descubrir este planeta antes de que se produzca esta migración es muy valioso, ya que aporta información crucial sobre cómo se forman, estabilizan y evolucionan los Júpiter calientes a lo largo del tiempo.

Al respecto, Gupta señaló que “aunque no podamos rebobinar un video para ver el proceso de migración planetaria en tiempo real, este exoplaneta sirve como una especie de instantánea del proceso de migración. Los planetas como este son extremadamente raros y difíciles de hallar, así que espero que nos pueda ayudar a revelar la historia de formación de los Júpiter calientes”.

“Estamos bastante interesados en lo que podamos aprender sobre la dinámica de la atmósfera de este planeta después de que realice una de sus abrasadoras aproximaciones a su estrella”, afirma Jason Wright, profesor de astronomía y astrofísica de Penn State que supervisó el proyecto mientras Gupta era estudiante de doctorado en la universidad. “Telescopios como el Telescopio Espacial James Webb de la NASA tienen la sensibilidad necesaria para sondear los cambios en la atmósfera del exoplaneta recién descubierto a medida que experimenta un rápido calentamiento, por lo que el equipo aún puede aprender mucho más sobre el exoplaneta”.

TIC 241249530 b es el segundo exoplaneta descubierto que muestra la fase de pre migración de un Júpiter caliente. En conjunto, estos dos ejemplos observacionales confirman la idea de que los gigantes gaseosos evolucionan para convertirse en Júpiter calientes a medida que migran desde órbitas muy excéntricas hacia órbitas más cerradas y circulares.

“Los astrónomos llevan más de dos décadas buscando exoplanetas que puedan ser precursores de Júpiter calientes o productos intermedios del proceso de migración, por lo que me sorprendió mucho —y me entusiasmó— encontrar uno. Es exactamente lo que esperaba encontrar”, explicó Gupta.