Las nuevas Cronomoons (Cronolunas): origen, dinámica, y detectabilidad de exolunas con anillos

Un equipo internacional de astrofísicos, en el que participan invesrigadores del NPF propone y pone a prueba la existencia de un nuevo objeto astronómico, las cronolunas (cronomoons): satélites de los planetas gigantes que están rodeados de complejos sistemas de anillos, según lo describen en una nueva investigación publicada en MNRAS.

Interpretación artística de una cronoluna vista desde un mundo extraterrestre. Créditos: Mario Sucerquia.

El reino de los exoplanetas, es decir, de los planetas que no orbitan al Sol, no deja de sorprender en cuanto a la riqueza y a la diversidad de los mundos que los habitan. Curiosamente el descubrimiento de estos nuevos lugares no necesariamente llegan a través de observaciones directas o indirectas de estas regiones u objetos, sino que son el producto de la aplicación de los poderosos modelos teóricos y computacionales desarrollados por astrofísicos. Sin embargo, tales hallazgos deben aguardar por una contraparte observacional que confirme su existencia.

Tal es el caso, por ejemplo, de los exoplanetas (planetas que orbitan otras estrellas), que fueron predichos primero por los modelos astrofísicos, y que fueron observados posteriormente mediante potentes observatorios. Mientras que, por otro lado, las exolunas, los anillos exoplanetarios, las moonmoon, (o sublunas), pequeños cuerpos que orbitan a las lunas de los exoplanetas, y los ploonets (o plunetas), satélites de exoplanetas gigantes, que escapan de su órbita, para convertirse en un nuevo mundo del sistema planetario, son objetos astrofísicos teóricos que aún aguardan por su confirmación observacional.

Al anterior conjunto de objetos pertenecen las nuevas Cronolunas (del inglés Cronomoons, según la publicación original): satélites hipotéticos de los exoplanetas, que tienen una característica muy singular: están rodeadas de un complejo sistema de anillos de polvo o hielo. En otras palabras, son saturnos en miniatura que no orbitan a su estrella, sino que revolucionan alrededor de un planeta gigante. Las Cronolunas son el resultado de una reciente investigación liderada por Mario Sucerquia, investigador postdoctoral FONDECYT, en la Universidad de Valparaíso, y miembro del Núcleo Milenio de Formación Planetaria, en la que también participaron otros centros de investigación chilenos e internacionales, y que ha sido aceptada para publicación en la prestigiosa revista internacional Monthly Notices of The Royal Society, de Inglaterra.

Las Cronolunas.

Las lunas con anillos son un paisaje alienígena típico de las historias de ciencia ficción y de las aventuras futuristas de viajeros interestelares. A pesar de ello, previo a este trabajo, no ha habido ningún intento de estudiar con profundidad científica estos mundos hipotéticos, que también pueden ofrecernos información valiosa de la complejidad dinámica y morfológica de los sistemas planetarios. Este vacío intelectual, sumado a la notoria ausencia de cronolunas en el sistema solar fueron las principales motivaciones del equipo investigador para indagar sobre su posible existencia, sus rutas de formación y estabilidad, y sobre las posibles huellas observacionales que podrían delatar su presencia.

Para tal fin, durante la investigación se emplearon complejos modelos semianalíticos que describen la migración orbital de los satélites, además de simulaciones numéricas diseñadas para estudiar la estabilidad de las partículas componentes de los anillos bajo la influencia de la radiación solar, y las perturbaciones gravitatoria de los todos cuerpos celestes involucrados.

Además de su estabilidad, los investigadores encontraron una característica bastante peculiar en los anillos, que es consecuencia de las perturbaciones gravitacionales periódicas del planeta huésped de la luna sobre las partículas que los componen. En las simulaciones notaron que los anillos de las cronolunas son muy propensos a tener brechas, que aparecen de forma natural, Fenómeno análogo a las así llamadas divisiones de Cassini de los anillos de Saturno, o las brechas de Kirkwood en el cinturón de asteroides en del Sistema Solar, dotando a las cronolunas de un cierto valor estético agregado.

Resultado de las simulaciones numéricas hechas para una cronoluna de anillos helados. En ella se puede observar la formación de brechas en los anillos.

Lunas con anillos

En el Sistema Solar los anillos circumplanetarios se presentan con diversidad de formas y composiciones. Por ejemplo, los anillos de Júpiter son tenues y polvorientos, mientras que los de Saturno son muy prominentes y están compuestos principalmente por hielos. Suele pensarse erróneamente que los anillos son una característica exclusiva y común de los planetas gigantes, ya que los planetas rocosos carecen de dichas estructuras. Por el contrario, se han detectado entre los cuerpos menores del Sistema Solar anillos alrededor de los centauros Chariklo y Chiron, y al objeto transneptuniano Vesta; estructuras cuyo origen todavía no está claro.

¿Por qué será entonces que objetos de tamaño intermedio como los planetas terrestres y sus lunas no tienen anillos? Ésta es una pregunta abierta cuya respuesta podría estar relacionada con el estado evolutivo de nuestro sistema planetario, que es maduro y estable, y por lo tanto, relativamente pocas cosas inusuales suceden. Sin embargo, en etapas más tempranas de la formación planetaria, estos anillos podrían ser comunes debido a la alta frecuencia de impactos de objetos de gran tamaño contra los planetas y sus lunas. Hay que hacer la salvedad que, hacia el 2008, se pensó que la luna Rhea, de Saturno tenía una halo de partículas heladas, pero la sonda espacial Cassini descartó esta hipótesis en su visita a Saturno.

De acuerdo a la publicación, las cronolunas podrían tener diversas vías de formación, donde la mayoría de ellas requieren una interacción violenta, como las colisiones entre lunas, el decaimiento orbital de una subluna, o colisiones de cometas o plunetas contra satélites. Posteriormente, los escombros de estas colisiones se esparcirán en órbita del cuerpo sobreviviente formando estructuras anulares, cuya composición, morfología y tamaño dependerán de las propiedades físicas de los objetos involucrados. Los investigadores encontraron que hay una serie de condiciones físicas en las cuales las cronolunas pueden ser estables a lo largo de millones de años, y que la supervivencia de los anillos compuestos de polvo es más factible que la de los anillos helados, pero con los de polvo siendo más compactos que sus contrapartes heladas.

Rutas de formación de cronolunas: i. Remanente de la formación del satélite. ii. Colisiones entre satélites. iii. colisión entre cometas y satélites. iv. choque de una pluneta contra un satélite.

¿Hemos visto alguna cronoluna?

El método de los tránsitos planetarios (es decir la detección de microeclipses en otras estrellas), podría revelar la existencia de las cronolunas a través de dos efectos a tener en cuenta. En primer lugar, al tener anillos, la profundidad de los tránsitos de la cronoluna sería mucho mayor que la de cuerpos sin anillos; es decir, los anillos ocultarían un área mayor de la estrella, por lo que una detección podría interpretarse erróneamente como proveniente de un objeto mucho mayor en tamaño y sin anillos. Sin embargo, en verdad se trataría de un objeto más liviano, que induciría en el planeta un tambaleo gravitatorio mucho menor que el esperado, alterando en menor medida la periodicidad y la duración de los tránsitos del planeta. Estos dos efectos que son incompatibles entre sí, serían la huella de una cronoluna, quienes, a propósito, fueran nombradas así por su similaridad con Cronus (el nombre griego para Saturno), y Chronos, el epítome del tiempo, por la manera cómo estos objetos alteran la frecuencia orbital de su planeta huésped.

El sistema Kepler 1625b visto desde dos interpretaciones: a la izquierda, como una exoluna súper masiva, y a la derecha, como una cronoluna.

Pero para detectar una cronoluna es necesario detectar primero una luna, y ese es un reto todavía vigente. En la actualidad hay un puñado de candidatos a exolunas, pero solo la más inusual de todas parece pasar todos los filtros de verificación. De acuerdo a interpretación de las curvas de luz del sistema, Kepler 1625 b está compuesto por un planeta cuya masa se asemeja a la de Júpiter, acompañado por un satélite tan grande como Neptuno. Los tamaños de los cuerpos involucrados en esta configuración son incompatibles con los modelos actuales y vigentes de formación de satélites, por lo que la interpretación de estas curvas de luz sigue siendo todavía motivo de debate entre la comunidad de científicos planetarios.

Como aporte a esa discusión, esta investigación ofrece una nueva interpretación a las observaciones, pues propone que el tamaño observado del satélite corresponde a una luna de tamaño mucho menor que el reportado, pero rodeada de un denso sistema de anillos; en otras palabras, se trata de una cronoluna, en lugar de una luna. Esta configuración de tamaños es más acorde con los modelos existentes.

La confirmación de si Kepler 1625b i es o no una exoluna dependerá de los resultados que arrojen las nuevas observaciones y sus análisis. Por ahora, las cronolunas ofrecen una nueva posible interpretación de las curvas de luz, al tiempo que invita a vislumbrar los fascinantes paisajes nocturnos que ellas deben ofrecer a los hipotéticos habitantes de los mundos vecinos a ellas en el reino de los exoplanetas.

Sistema compuesto por una estrella, un planeta y una cronoluna. Créditos: Mario Sucerquia