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Un sistema inusual con tres planetas de densidad ultrabaja, también denominado ‘superglobo’, tiene al menos un planeta más, según astrónomos 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 pierden la oportunidad cuando el planeta pasó inesperadamente frente a su estrella dos horas antes de lo previsto por los modelos.
Después de examinar datos nuevos y de archivo de una variedad de telescopios espaciales y terrestres, los investigadores descubrieron que la mejor explicación es la presencia de un cuarto planeta, cuya atracción gravitatoria afecta 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 superbrillantes son muy inusuales, ya que tienen una masa y una densidad muy bajas”, dijo Jessica Libby-Roberts, investigadora postdoctoral del Centro de Exoplanetas y Mundos Habitables de Penn State y coautora principal del artículo.
UNA DENSIDAD COMO EL ALGODÓN DE AZÚCAR
“Los tres planetas conocidos anteriormente que orbitan la estrella Kepler-51 tienen aproximadamente el tamaño de Saturno, pero solo unas pocas veces la masa de la Tierra, lo que resulta en una densidad como el algodón de azúcar. Creemos que tienen núcleos diminutos y enormes atmósferas de hidrógeno y helio, pero cómo se formaron estos planetas extraños y cómo sus atmósferas no han sido destruidas por la intensa radiación de su joven estrella sigue siendo un misterio. Planeamos usar JWST para estudiar uno de estos planetas para 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) cuando se lo observa desde la Tierra, bloquea parte de la luz de la estrella, lo que provoca una ligera disminución en el brillo de la estrella. La duración y la cantidad 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 transitan unos minutos antes o después porque la gravedad de otros planetas en el sistema tira de ellos. 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 lo siguieron con el telescopio Apache Point Observatory (APO) para observarlo a tiempo.
“También intentamos utilizar el telescopio Penn State Davey Lab para observar un tránsito de Kepler-51d en 2022, pero algunas nubes mal sincronizadas bloquearon nuestra vista 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 el JWST como con APO.
“Gracias a Dios comenzamos a observar unas horas antes para establecer una línea de base, porque llegaron las 2 a. m., luego las 3 a. m., y todavía no habíamos observado un cambio en el brillo de la estrella con APO”, dijo Libby-Roberts. “Después de volver a ejecutar frenéticamente nuestros modelos y analizar los datos, descubrimos una ligera caída en el brillo estelar inmediatamente cuando comenzamos a observar con APO, que terminó siendo el comienzo del tránsito, 2 horas antes, lo que está mucho más allá de la ventana de incertidumbre de 15 minutos de nuestros modelos".
Cuando los investigadores analizaron los nuevos datos de APO y JWST, confirmaron que habían capturado el tránsito de Kepler-51d, aunque considerablemente antes de lo esperado.
“Estábamos realmente desconcertados por la aparición temprana de Kepler-51d, y ningún ajuste del modelo de tres planetas podría explicar una discrepancia tan grande”, dijo Kento Masuda, profesor asociado de ciencias de la Tierra y el espacio en la Universidad de Osaka y coautor principal del artículo. “Solo la adición de un cuarto planeta explicó esta diferencia. Este es el primer planeta descubierto mediante variaciones en el tiempo de tránsito utilizando JWST“.
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 el Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA. También hicieron 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 denomina 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.
“Descubrimos que la señal se explica mejor si Kepler-51e tiene una masa similar a 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 encontramos implican un planeta más masivo en una órbita más amplia, aunque creemos que son menos probables".
PLANETAS SUPERGLOBO
Tener en cuenta un cuarto planeta y ajustar los modelos también cambia las masas esperadas de los otros planetas del sistema. Según los investigadores, esto afecta a otras propiedades inferidas sobre estos planetas e informa sobre cómo podrían haberse formado. Aunque los tres planetas interiores son ligeramente más masivos de lo que se pensaba anteriormente, todavía se clasifican como superglobos. Sin embargo, no está claro si Kepler-51e es también un planeta superglobo, 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, tienden a 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”.