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Un nuevo descubrimiento de CARMENES: un exoplaneta gigante alrededor de la estrella enana GJ 3512 desafía los modelos de formación de los sistemasplanetarios

• Un estudio del consorcio CARMENES liderado por investigadores del IEEC en el ICE (CSIC) informa acerca del descubrimiento de un sistema planetario anómalo alrededor de la enana roja GJ 3512, que se encuentra ubicada a unos 30 años luz de la Tierra. Aunque la estrella tiene solo una décima parte la masa del Sol, posee al menos un planeta gigante gaseoso.

• Este planeta probablemente se formó a partir de la división en diferentes fragmentos de un disco inestable alrededor de la estrella cuando era aún joven. Esto contrasta con la forma en que se cree que se forman la mayoría de los planetas gigantes, donde estos crecen lentamente a medida que el gas cae sobre un núcleo sólido.

• La señal de un planeta se ha detectado claramente con ambos brazos, visible e infrarrojo, del espectrógrafo cazaplanetas CARMENES, instalado en el Observatorio de Calar Alto . Esto lo convierte en el primer exoplaneta descubierto sin ninguna ambiguÌedad por un espectrómetro infrarrojo de nueva generación.

Astrónomos del consorcio CARMENES, liderados por el Dr. Juan Carlos Morales, investigador del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, CSIC), han descubierto uno, e incluso dos, planetas gigantes gaseosos orbitando alrededor de la cercana estrella enana roja GJ 3512.

"CARMENES fue construido para encontrar planetas alrededor de las estrellas más pequeñas, pero también queríamos que fueran lo más brillantes posible. Inicialmente esta estrella no estaba incluida en nuestra lista de observación porque era demasiado débil, declara Ignasi Ribas, científico del proyecto CARMENES y director del IEEC. Entonces nos dimos cuenta de que no teníamos suficientes estrellas pequeñas en la muestra y en el último minuto añadimos algunas. Tuvimos la suerte de hacerlo porque de otra manera nunca hubiéramos hecho este descubrimiento".

El Dr. Carlos del Burgo, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), ha participado en este descubrimiento. Nos ha contado que "CARMENES dispone de dos espectrógrafos de alta resolución, uno en el rango de longitud de onda óptico y otro en el infrarrojo cercano. Con ambos se pudo medir la curva de velocidad radial de la enana roja y concluir que alberga al menos un planeta gigante. Lo inesperado ha sido encontrar que es muy grande en relación al tamaño de su estrella, lo que implica un reto para los modelos de formación y evolución planetaria".

Crédito: CARMENES/RenderArea/J. Bollaín/C. Gallego

Con este descubrimiento, CARMENES consigue la primera detección de un exoplaneta utilizando únicamente un instrumento de nueva generación y de alta precisión en el infrarrojo cercano, lo que pone en relieve una vez más el papel de liderazgo desempeñado por los investigadores europeos en el campo de los exoplanetas desde telescopios terrestres. Una detección anterior de un exoplaneta usando un espectrómetro infrarrojo requirió el uso de otras varias instalaciones para su conformación [1].

Después de algunas observaciones iniciales, esta estrella llamó la atención de los científicos y dio lugar a un mayor seguimiento. "La estrella mostró muy pronto un comportamiento bastante extraño. Su velocidad cambiaba muy rápidamente y de manera equivalente en los dos canales del instrumento, indicando la presencia de un compañero masivo, una característica anómala para una enana roja", explica el Dr. Juan Carlos Morales.

GJ 3512 es casi idéntica a Próxima Centauri y solo un poco más masiva que la Estrella de Teegarden y TRAPPIST-1. Todas ellas albergan planetas terrestres en órbitas templadas y compactas, pero gigantes gaseosos. "Se está convirtiendo en la norma esperar pequeños planetas alrededor de estas estrellas pequeñas, así que inicialmente pensamos que este gran movimiento tenía que ser causado por otra estrella con un periodo orbital muy largo. Seguimos observándola, pero con poca intensidad. Para nuestra sorpresa, el movimiento comenzó a repetirse de nuevo en la siguiente temporada, indicando que en realidad estaba siendo producido por un planeta. En ese momento, GJ 3512 finalmente entró en la lista de máxima prioridad", explica el Dr. Morales.

Los modelos de formación de planetas deberían ser capaces de explicar cómo los sistemas planetarios llegan a existir alrededor de estrellas como nuestro Sol, pero también alrededor de estrellas más pequeñas. Hasta ahora, el llamado "modelo de acreción del núcleo" para la formación de planetas se consideraba suficiente para explicar la formación de Júpiter y Saturno en nuestro sistema solar, y la de muchos otros planetas gigantes gaseosos descubiertos alrededor de otras estrellas.

Las estrellas de baja masa deberían tener proporcionalmente discos livianos, por lo que la cantidad de material disponible en el disco para formar planetas también se reduce de manera significativa. La presencia de un gigante gaseoso alrededor de una estrella tan pequeña indica que el disco original era anormalmente denso [2] o que el escenario de acreción de masa sobre el núcleo no aplica en este caso. Además, este planeta está en una órbita excéntrica, que sugiere la presencia de otro planeta gigante que fue expulsado del sistema en el pasado, siendo ahora un cuerpo errante en el vacío galáctico.

El "modelo de inestabilidad del disco" defiende que algunos, o quizás todos, los planetas gigantes gaseosos pueden formarse directamente a partir de las autoacumulación gravitacional de gas y polvo, en lugar de requerir un núcleo que actúe como "semilla". Aunque este escenario es plausible, hasta ahora ha sido mayormente ignorado porque no explica otras tendencias observadas en la población de planetas gigantes gaseosos. Este nuevo descubrimiento de CARMENES está destinado a cambiar esta situación.

"Me parece fascinante cómo una sola observación anómala tiene el potencial de producir un cambio de paradigma en nuestro pensamiento, algo tan esencial como la formación de planetas y, por lo tanto, en el panorama general de cómo nuestro propio sistema solar llegó a existir", declara el Dr. Juan Carlos Morales.

El consorcio CARMENES continúa observando la estrella para confirmar la existencia de un segundo objeto, posiblemente un planeta similar a Neptuno, con un periodo orbital más largo. Además, los científicos no han descartado la presencia de planetas terrestres en órbitas templadas alrededor de GJ 3512. Más datos dirán si se trata finalmente de un sistema equivalente a nuestro sistema solar en escala pequeña.

Video: representación artística de las órbitas de los planetas alrededor de GJ 3512.

Notas

[1] Técnicamente, la primera detección forme de exoplanetas mediante el uso de un espectrómetro infrarrojo de alta resolución fue hecha con CSHELL en IRTF, y corresponde a un objeto masivo en el límite de un planeta y una enana roja marrón (~13 veces la masa de Júpiter) orbitando a la estrella CI Tau. CARMENES es un instrumento de nueva generación construido específicamente para la búsqueda de exoplanetas. Desde que CARMENES inició sus operaciones, varios instrumentos similares entraron en operación en los principales observatorios del mundo, como el Telescopio Subaru y el Telescopio Canadá-Francia-Hawaii, ambos en Mauna Kea, Hawaii.

[2] La existencia de estos discos anómalos y masivos no está confirmada actualmente por las observaciones de las regiones de formación estelas.

Más información

Esta investigación se presenta en el artículo titulado "A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models", de J. C. Morales et. al., que apareció en la revista Science el 27 de septiembre de 2019.