¿Pueden los exoplanetas cercanos a sus estrellas retener lunas detectables?

La búsqueda de exoplanetas ha tenido un gran éxito en las últimas décadas, tanto así que se han reportado más de 4000 descubrimientos. Estos sistemas planetarios nuevos tienen propiedades muy peculiares, y muchos de ellos no se parecen en nada al nuestro, relegándonos al rol de ser el inquilino raro de este lado de la vecindad galáctica.

Un detalle curioso de los últimos hallazgos planetarios es el hecho de que la mayoría de los exoplanetas descubiertos hasta ahora son planetas gigantes (como Júpiter) que orbitan a distancias muy próximas a sus estrellas, y que muchos de ellos se encuentran, incluso, en la llamada "zona de habitabilidad circumestelar" (CSHZ por sus iniciales en inglés), que es la región en donde la vida tiene gran chance de prosperar por la posible presencia del agua líquida.

Sin embargo, a pesar del gran éxito que ha tenido esta búsqueda, todavía no ha sido posible descubrir el primer sistema de lunas más allá de nuestro Sistema Solar. En el nuestro, de hecho, todos los planetas gigantes poseen sistemas complejos de satélites, y se deduce a partir del principio de mediocridad, y también de los modelos teóricos existentes que estos exoplanetas gigantes también las tengan, así que se cree que una vasta población de exolunas deberían estar allí esperando a ser descubiertas.

Por otro lado, los gigantes gaseosos en la CSHZ difícilmente podrán tener condiciones para que la vida -tal y como la conocemos- prospere, al carecer ellos de una superficie sólida. Sin embargo, sus lunas, que sí que las tienen, podrían poseer gruesas atmósferas, campos magnéticos y ser sitios donde la vida podría prosperar (Vida, incluso, como la de la luna Pandora en la película Avatar, de James Cameron). Por eso, el descubrimiento de estos satélites es tan relevante. En el sistema Solar, por ejemplo, las lunas representan una mayor área superficial sólida, comparada con la de los planetas terrestres. Las lunas pueden ser el sustrato donde la vida podría emerger adentro y afuera del Sistema Solar.

¿Por qué no hemos descubierto la primera exoluna? Esa es la pregunta que un equipo internacional de investigadores liderados por Mario Sucerquia del NPF han querido responder. Según él: “En una investigación previa que también involucró a investigadores del NPF Encontramos que estos planetas gigantes tienden a expulsar con gran eficiencia a sus lunas más grandes debido a complejas interacciones de mareas (como la interacción entre la Tierra y la Luna que hace que se eleve periódicamente el nivel de los mares), dando como resultado que muchas de ellas se pueden convertir en nuevos planetas que giran, ya no alrededor del planeta, sino de su estrella. Esos cuerpos fueron apodados "ploonets" (o plunetas en español), cuyo nombre proviene de un juego con las palabras en inglés planet + moon.”

Figura: fracción de lunas expulsadas (posibles ploonets) y retenidas por los exoplanetas cercanos a las estrellas, como función de la distancia planeta-estrella.

Pero, ¿qué pasa entonces con las lunas más pequeñas? Algunas de ellas podrían ser detectadas siempre y cuando lograran sobrevivir a su migración orbital, afirma Sucerquia. Justo de eso se trata el nuevo trabajo de investigación que ha sido publicado en la prestigiosa revista inglesa MNRAS, y que está disponible en línea en este enlace (Can close-in giant exoplanets preserve detectable moons?). En él, los investigadores deducen los tamaños y las distancias a las que se encontrarán los satélites que logren sobrevivir a la migración de marea, y evalúan si estos pueden ser detectados con nuestros telescopios actuales.

¿Cómo se desarrolló la investigación?

Para averiguar cuáles lunas sobreviven a la migración de marea, a qué distancia se ubican y cuáles son sus tamaños, el equipo empleó simulaciones por computador en donde miles de sistemas sintéticos compuestos por una estrella, un planeta y una luna que interactúan bajo las leyes de la física, en particular bajo la acción de la gravedad de Newton y las mareas, a lo largo de 5 mil millones de años. Estos sistemas sintéticos, cuyos planetas y lunas son similares a Saturno y Titán (una de sus lunas) difieren el uno del otro en masa, composición y en separación, tratando de imitar las posibles configuraciones que se pueden encontrar en los sistemas planetarios de la galaxia.

“Posteriormente, se seleccionan aquellos sistemas en los que las lunas sobrevivieron alrededor del planeta para evaluar su detectabilidad. A esta forma de proceder se lo conoce como una simulación de Montecarlo.” Afirma Vanesa Ramírez, coautora del estudio, quien agrega: Una luna será detectable a través de su "curva de luz" y otros efectos relacionados complementarios como las desviaciones en la duración y periodicidad de los tránsitos (TDV y TTV, por sus siglas en inglés)”.

Y es que cuando un planeta (o luna) pasa por enfrente de una estrella distante, desde la Tierra se observará un pequeño cambio en el brillo estelar, que será proporcional al tamaño de dicho cuerpo. Además, si un planeta posee una luna, esto puede generar que la luna anticipe o retrase el tiempo transcurrido entre dos eclipses consecutivos al modificarse la posición del planeta (TTV), o generar que la duración de los tránsitos fluctúen debido a los cambios en su velocidad (TDV). Estos efectos aparecen debido a que ambos objetos giran alrededor de un centro de masa común mutuo, y por lo tanto estos efectos serán más notorios cuando las lunas sean más grandes, que son justamente las más susceptibles a ser expulsadas.

Figura: Curva de luz de un sistema planetario múltiple. Créditos: nasa.gov

“Nosotros calculamos la intensidad de estos fenómenos para las lunas sobrevivientes resultantes, y comparamos estas medidas con los límites en sensibilidad (capacidad de detectar cuerpos pequeños) y cadencia (la tasa a la que pueden tomarse registros estelares) de las sondas espaciales TESS y Kepler, que son los principales instrumentos cazadores de planetas, para verificar si poseen los requerimientos técnicos necesarios para detectar nuestras lunas sintéticas.” Dijo al respecto el investigador Jaime Alvarado, de Macquarie University en Australia.

¿Cuáles fueron los principales resultados y por qué son relevantes?

Para ser concretos, los resultados parecer no ser muy esperanzadores, según las palabras de Sucerquia: "Encontramos que la población de satélites de baja masa, y que concuerdan con aquellas predichas por los modelos más aceptados de formación de lunas, son inestables gravitacionalmente y no generan efectos en los tránsitos que sean fácilmente detectables. Por otro lado, satélites menos realistas, es decir, aquellos con gran masa y orbitando planetas pequeños podrían detectarse fácilmente, pero estas configuraciones son poco probables. Sin embargo, notamos que existe una muy pequeña fracción de sistemas a la que pertenecen tanto planetas como lunas pequeñas, que son a su vez factibles de formarse como de detectarse.

A pesar de todo esto, encontramos que a medida que situamos planetas más lejos de sus estrellas la posibilidad de detectar sus lunas aumenta considerablemente. Lastimosamente estos planetas son mucho más difíciles de detectar porque tienen periodos orbitales larguísimos, haciendo que sea muy improbable fotografiarlos justo en el intervalo de tiempo cuando pasan enfrente de su estrella."

Sin embargo, este trabajo, en conclusión, es relevante porque ofrece una explicación plausible desde una perspectiva teórica a la ausencia de detecciones exitosas de exolunas, y además, señala el tipo de lunas, a qué distancias y alrededor de qué planetas podrían encontrarse, como punto de partida para diseñar instrumentos y sondas con capacidades necesarias para detectarlas, señala el autor.

¿Qué sigue a partir de este trabajo?

Este trabajo es fruto de una colaboración internacional, que involucra a astrónomos de Chile (NPF y Universidad de Valparaíso), Australia (Macquarie University) y Colombia (Universidad de Antioquia). Gracias a ella, hemos estado continuamente realizando mejoras en los modelos teóricos que describen la relación de las mareas gravitatorias que regulan la dinámica orbital de las estrellas, los planetas y sus satélites. Al ser modelos matemáticos, estos pueden refinarse cada vez más para tratar de involucrar la mayor cantidad de fenómenos posibles. Dicho de otro modo, es un trabajo que está en constante desarrollo. De todos modos, sus resultados sirven para comprender mejor la arquitectura de los sistemas planetarios y podrían servir como base para guiar los proyectos observacionales futuros.

“Con las lunas de planetas fuera del sistema solar (“exolunas” como nos gusta llamarlas) estamos como hace 40 años en relación con los exoplanetas: todos sospechamos que existen, pero no tenemos ni idea de cuándo o dónde encontraremos la primera” apunta Jorge I. Zuluaga, Profesor Titular de la Universidad de Antioquia y coautor del artículo; y agrega “observar sistemas exoplanetarios es muy difícil y requiere recursos compartidos que son muy escasos (tiempo de telescopios). Lo que nuestro trabajo está tratando de hacer es mostrar, con la ciencia disponible, dónde podríamos concentrar nuestra búsqueda y qué podríamos esperar encontrar; pero también nos muestra dónde es mala idea buscar, al menos con la tecnología disponible.”