Las extrañas órbitas del sistema Upsilon Andromedae

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Las órbitas peculiares de los tres planetas que giran alrededor de una estrella lejana pueden ser mejor explicadas si un no-visible cuarto planeta se hubiera desplazado torpemente entre ellos y los hubiera desplazado de sus órbitas circulares, según un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, y de la Universidad del Noroeste.

La conclusión surge de extrapolaciones de computadora basadas en 13 años de observaciones de los movimientos de los planetas alrededor de la estrella Upsilon Andromedae. Sugiere que las no-circulares y a menudo altamente elípticas órbitas de muchos de los planetas extrasolares descubiertos hasta la fecha pueden ser el resultado de la dispersión mutua de los planetas. En tal escenario, el planeta perturbador sería lanzado completamente fuera del sistema o podría verse ubicado en una órbita muy lejana, dejando a los planetas interiores con órbitas excéntricas.

“Este es probablemente uno de los dos o tres sistemas extrasolares que han sido mejor observados, y nos cuenta una historia única”, dijo Eric Ford, un miembro post-doctoral Miller de UC Berkeley. “Nuestra explicación es que la órbita original del planeta exterior era circular, pero recibió este golpe sorpresivo que hizo que su órbita se convirtiera en altamente excéntrica. Como causa de ese golpe, pensamos en un planeta adicional que ahora no vemos. Creemos que ahora comprendemos el funcionamiento de este sistema”.

Si un planeta tal hubiera chocado y rebotado a través de nuestro sistema solar en los principios de su historia, hicieron notar los investigadores, es posible que los planetas interiores no tuvieran ahora sus lindas órbitas circulares y, basados en las presunciones actuales sobre los orígenes de la vida, el clima terrestre podría haber sufrido demasiadas fluctuaciones como para permitir su aparición.

“Mientras que los planetas de nuestro sistema solar permanecen estables por miles de millones de años, ése no es el caso para los planetas de Upsilon Andromedae”, dijo Ford. “Si bien esos planetas pudieron haberse creado en forma similar a Júpiter y a Saturno, sus órbitas actuales fueron dibujadas por una fase tardía de interacciones caóticas y violentas”.

Según el colega de Ford, Frederic A Rasio, un profesor asociado de física y astronomía de la U. del Noroeste, “nuestros resultados muestran que un mecanismo simple llamado a menudo “dispersión planeta-planeta” (una especie de efecto “honda” - o “tiragomas” - debido al súbito tirón gravitatorio entre dos planetas cuando uno se acerca al otro) debe ser el responsable de las órbitas altamente excéntricas que se observan en el sistema Upsilon Andromedae.

Creemos que la dispersión planeta-planeta ocurre frecuentemente en sistemas planetarios extrasolares, no solamente en éste, como resultado de fuertes inestabilidades. De modo que, si bien los sistemas planetarios alrededor de otras estrellas pueden ser comunes, los tipos de sistemas capaces de sostener vida como el nuestro, y que presumiblemente deben permanecer estables a lo largo de grandes escalas temporales, podrían no ser tan comunes”.

Estas simulaciones computarizadas son informadas por Ford, Rasio y Verene Lystad, una estudiante no graduada que cursa una maestría en física en la U. del Noroeste, en el número del 14 de abril de la revista Nature. Ford fue un estudiante de Rasio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts antes de seguir sus estudios de post-grado en la Universidad de Princeton, y llegó a U.C. Berkeley en 2004.

El sistema de Upsilon Andromedae es uno de los más estudiados de los aproximadamente 160 sistemas con planetas descubiertos hasta ahora fuera de nuestro sistema solar. El planeta interior, un “Júpiter caliente” tan cercano a la estrella que su órbita es de apenas unos pocos días, fue descubierto en 1996 por Geoff Marcy y su equipo de cazadores de planetas de U.C. Berkeley. Los dos planetas exteriores, con órbitas alargadas que se perturban fuertemente una a la otra, fueron descubiertos en 1999. Estos tres enormes planetas tipo Júpiter que giran alrededor de Upsilon Andromedae compusieron el primer sistema multi-planetario extrasolar descubiertos por espectroscopía Doppler.

A causa de la inusual naturaleza de las órbitas planetarias alrededor de Upsilon Andromedae, Marcy y su equipo lo han estudiado intensamente, realizando casi 500 observaciones, 10 veces más que las realizadas para los otros planetas extrasolares hallados por ellos. Estas observaciones, los bamboleos del movimiento de la estrella inducidos por los planetas que la orbitan, permiten un mapeo muy preciso de los movimientos planetarios alrededor de su estrella.

“Las observaciones son tan precisas que podemos observar y predecir lo que sucederá con decenas de miles de años de anticipación”, dijo Ford.

Actualmente, mientras los planetas interiores se apretujan muy cerca de la estrella, los dos más interiores tienen órbitas ovaladas. Las simulaciones computarizadas de cambios orbitales pasados y futuros muestran, sin embargo, que los dos planetas exteriores están embarcados en una danza repetitiva que, una vez cada 7 000 años, hace que la órbita del planeta central sea circular.

“La propiedad de regresar a órbitas muy circulares es muy notable, y no sucede generalmente”, dijo Ford. “La explicación natural es que alguna vez ambos tuvieron órbitas circulares, y uno de ellos recibió un gran golpe que hizo que la suya se convirtiera en excéntrica. Luego, la evolución subsiguiente hizo que el otro planeta aumentara su excentricidad, pero a causa de la conservación de la energía y del momento angular, regresa periódicamente a una órbita casi circular”.

Anteriormente, los astrónomos habían propuesto dos escenarios posibles para la formación del sistema planetario de Upsilon Andromedae, pero los datos de las observaciones no eran suficientes como para distinguir ambos modelos. Otro astrónomo, Renu Malhotra de la Universidad de Arizona, había sugerido previamente que la dispersión planeta-planeta podría haber causado las excentricidades en Upsilon Andromedae.

Pero una explicación alternativa mantenía que las interacciones entre los planetas y un disco de gas que rodeara a la estrella podrían también haber producido esas excentricidades. Combinando más datos observacionales con nuevos modelos de computadora, Ford y sus colegas fueron capaces de demostrar que las interacciones con un disco gaseoso no podrían haber generado las órbitas observadas, pero que sí se habrían producido naturalmente con las interacciones de los planetas entre sí.

“La característica clave que distinguió entre estas teorías fue que las interacciones con un disco exterior haría que las órbitas cambiaran muy lentamente, mientras que la interacción con un planeta que pasara cerca haría que las órbitas cambiaran muy rápidamente, comparadas con la escala temporal de 7 000 años de su evolución”, dijo Ford. “Como las dos hipótesis ofrecen predicciones diferentes para la evolución del sistema, podemos delimitar la historia del sistema basándonos en sus órbitas actuales”.

Esta figura compara el sistema de Upsilon Andromedae con los cuatro planetas interiores de nuestro sistema solar. Las distancias y los radios relativos son únicamente esquemáticos. El campo estelar de fondo es una imagen de la estrella Upsilon Andromedae.Crédito: Harvard-Smithsonian Center For Astrophysics / Adam Contos (pique en la imagen para un tamaño mayor)

Ford dijo que como los planetas se formaron dentro de un disco de gas y polvo, el arrastre sobre los planetas habría mantenido sus órbitas circulares. Sin embargo, una vez que el gas y el polvo se disiparon, únicamente una interacción con un planeta que pasaba podría haber creado las órbitas tan particulares que observamos hoy de los dos planetas exteriores. Quizás, hizo notar, el planeta perturbador fue lanzado hacia los planetas interiores a causa de interacciones con otros planetas lejanos del sistema.

Como fuera que comenzó el proceso, las interacciones caóticas resultantes habrían creado una órbita muy excéntrica para el tercer planeta, que luego perturbó también la órbita del segundo planeta. Como el planeta exterior domina el sistema, a lo largo del tiempo perturbó lo suficiente la órbita del planeta del medio como para deformarla lentamente hasta convertirla también en una órbita excéntrica, que es la que vemos hoy (aunque aproximadamente cada 7 000 años el planeta del medio regresa gradualmente a una órbita circular).

“Ésto es lo que hace que este sistema sea tan peculiar”, dijo Rasin. “Comúnmente, el emparejamiento gravitatorio entre dos órbitas elípticas nunca habría hecho que una de ellas retornara a ser un círculo casi perfecto. Un círculo es algo muy especial”.

“Originalmente, el objetivo principal de nuestra investigación era simular el sistema planetario de Upsilon Andromedae, con el fin esencial de determinar si los dos planetas exteriores se encuentran en el mismo plano, como lo hacen los planetas de nuestro sistema solar”, dijo Lystad, quien comenzó a trabajar con Rasio cuando era una estudiante de segundo año y realizó muchas de las integraciones de computadora como parte de su tesis. “Nos sorprendió encontrar que, para muchas de nuestras simulaciones, resultaba difícil determinar si los planetas se encontraban en el mismo plano debido al hecho de que periódicamente la órbita del planeta del medio se hacía casi completamente circular. Una vez que vimos que este extraño comportamiento estaba presente en todas nuestras simulaciones, lo reconocimos como distintivo de un sistema que había sufrido una dispersión planeta-planeta. Comprendimos entonces que allí había algo mucho más interesante que cualquier otra cosa que se hubiese descubierto antes”.

La comprensión de lo que sucedió durante la formación y evolución de Upsilon Andromedae y de otros sistemas planetarios extrasolares tiene profundas implicancias para nuestro propio sistema solar.

“Una vez que se comprende que la mayoría de los planetas extrasolares conocidos tiene órbitas altamente excéntricas (como los planetas de Upsilon Andromedae), uno comienza a preguntarse si podría haber algo especial sobre nuestro propio sistema”, dijo Ford. “¿Pudiera ser que la dispersión planeta-planeta sea tan común que pocos sistemas planetarios podrían permanecer tranquilos y habitables?. Afortunadamente, los astrónomos (liderados por Geoff Marcy, un profesor de astronomía de U.C. Berkeley) se encuentran realizando diligentemente las observaciones que finalmente nos permitirán responder esta cuestión tan emocionante”.

La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Instituto Miller para la Investigación Básica de U.C. Berkeley.

Más información sobre Upsilon AndromedaeFuente: Exoplaneten.de

Tipo estelar

Sub-gigante amarilla.

Clase espectral

F6IV

Distancia

44 años luz.

Luminosidad

3,3 L

Masa

1,34 masas solares

Temperatura superficial

6 250 grados Kelvin

Upsilon Andromedae b

Este es el único sistema extrasolar conocido con tres planetas.

Upsilon Andromedae es también una de las pocas estrellas con exoplanetas que ya ha abandonado la secuencia principal, alcanzando el estado de sub-gigante.

El exoplaneta más interior, Upsilon Andromedae b, es un mundo gigante ultra caliente, sin estructuras, con su atmósfera súper calentada brillando intensamente en su lado nocturno.

Upsilon Andromedae c

Upsilon Andromedae c es mucho más cercano a nuestra idea usual de un planeta. Este mundo tiene una órbita casi terrestre, pero recibe cuatro veces más luz desde su sol tan evolucionado.

Como el gigante gaseoso que es, con unas dos veces la masa de Júpiter, es posible que posea todo un ejército de lunas.

Este es el mundo que vemos retratado aquí, con una temperatura superficial de más de 80º y reseco desde hace mucho tiempo.

Unas violentas tormentas de polvo recorren furiosas su densa atmósfera de bióxido de carbono, y las rocas oxidadas fueron erosionadas larguísimo tiempo atrás.

Upsilon Andromedae d

Mucho más lejos hacia afuera, en una órbita altamente excéntrica, encontramos a Upsilon Andromedae d, con una masa cuatro veces mayor que la de Júpiter.

Esta distancia, combinada con la más alta emisión de energía de la estrella primaria, haría que sus lunas tuvieran un clima parecido al de Marte.

Aquí se muestra un amanecer visto de una de esas lunas de Upsilon Andromedae d, mientras la neblina matinal cubre el reseco valle desértico.

El planeta se encuentra en el lado opuesto de la luna.

Información en Exoplaneten.de tomada de “Astronomy & Astrophysics”: JIANG Y. & IP W., 2000: The Planetary System of Upsilon Andromedae.

Gráficas en Exoplaneten.de: Christoph Kulmann

http://www.universetoday.com/am/publish/strange_extrasolar_orbits.html