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Estudiante de doctorado del INAOE lidera investigación sobre colisiones planetarias y su conexión con las atmósferas de estrellas evolucionadas

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 31 de agosto de 2020. La presencia de metales pesados en las atmósferas de las estrellas enanas blancas, objetos pequeños como la Tierra pero con una masa equivalente al 70 por ciento la del Sol y, por tanto, con una gravedad miles de veces mayor, es una de las interrogantes más atractivas en la Astrofísica contemporánea. Un equipo internacional liderado por un mexicano ha estudiado la conexión entre esta "contaminación" de metales pesados en enanas blancas con la presencia de exoplanetas.

Los resultados de la investigación encabezada por Raúl Felipe Maldonado Sánchez, estudiante de doctorado del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), se publican en el artículo "Dynamical evolution of two-planet systems and its connection with white dwarf atmospheric Pollution", que apareció en la revista británica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society este mes de agosto. Este tipo de proyecto científico es un paso más en la búsqueda de posibles precursores de la vida fuera de nuestro planeta.

En el artículo también son coautores los co-asesores de Raúl Maldonado, los doctores Miguel Chávez Dagostino y Emanuele Bertone, del INAOE, y Eva Villaver,  del Centro de  Astrobiología de España, quien tiene amplia experiencia en este tema de investigación. Además, participa el Dr. Alexander Mustill de la Universidad de Lund, Suecia.

El proyecto de investigación surgió gracias a la colaboración establecida en uno de los congresos que el Dr. Chávez Dagostino organizó en 2012 en Puerto Vallarta con el Dr. Carlos Eiroa de la Universidad Autónoma de Madrid, quien puso en contacto a los astrofísicos del INAOE con la Dra. Eva Villaver.

El M. C. Raúl Felipe Maldonado Sánchez, líder de la investigación. Foto tomada de: Facebook.

Raúl Felipe Maldonado Sánchez informa que el trabajo une dos líneas de investigación: la Astrofísica Estelar y la Astrofísica Planetaria.

"La Astrofísica Estelar estudia cómo evolucionan las estrellas que, dependiendo de su masa, terminarán su vida como enanas blancas o como supernovas y sus remanentes compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros. Por otro lado, la Astrofísica Planetaria comenzó a tener auge a partir de que se descubrió el primer sistema exoplanetario. En 1992 se reportó la evidencia de exoplanetas orbitando alrededor de un pulsar, es decir, alrededor de una estrella de neutrones con una enorme velocidad de rotación. Tres años después, en 1995, se descubrió el primer exoplaneta orbitando una estrella como el Sol", explica.

Las estrellas enanas blancas son la fase final de estrellas de masa baja o intermedia. Son del tamaño de la Tierra aproximadamente, pero poseen una masa  similar a la de nuestro Sol. La fuerza de gravedad es muy fuerte, unas cien mil veces más que en la superficie terrestre.

El Dr. Miguel Chávez Dagostino expone que se espera que las atmósferas de estas estrellas deberían estar constituidas principalmente de hidrógeno y helio porque, por el efecto de la enorme gravedad, los elementos más pesados tendrían que sucumbir y terminar en la regiones internas de la estrella: "Sin embargo, en un alto porcentaje de estas estrellas se ha detectado que tienen muchos metales, y esos tienen que provenir de alguna parte. La teoría más aceptada es que planetas y planetesimales, por ejemplo, cuerpos rocosos como asteroides, terminan siendo absorbidos por su atmósfera".

Dr. Miguel Chávez Dagostino. Foto: archivo INAOE.

A su vez, el M. C. Raúl Maldonado expresa que los modelos teóricos han explicado que las escalas de tiempo en las que se hunden estos elementos en el interior de las enanas blancas son de días e incluso de hasta casi un millón  años, pero no más: "Sin embargo, estas enanas blancas han existido desde hace miles de millones de años, lo quiere decir que ahora que las estamos observando ya no deberían tener estos metales, y si los tienen los han debido obtener de algún lado. La hipótesis de esta investigación es que, antes de evolucionar, estas estrellas debieron haber tenido planetas y, si estos sobrevivieron a toda la evolución estelar, pueden ser los responsables de lanzar material a la enana blanca y de la contaminación de elementos metálicos".

Concepción artística que muestra a un exoplaneta y un disco de escombros orbitando una estrella enana blanca contaminada. Las enanas blancas son los remanentes muy compactos del estrellas similares al Sol que han agotado su combustible nuclear. Por "contaminación" nos referimos a los elementos  pesados contenidos en las atmósferas de estas estrellas. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Para esta investigación se tomaron como referencia los sistemas planetarios descubiertos hasta mediados del 2018 que se encontraban reportados en la Enciclopedia de Exoplanetas y en el archivo exoplanetario de la NASA.

El M. C. Raúl Maldonado refiere que la mayoría de los sistemas exoplanetarios encontrados hasta el momento son de un planeta, aunque también se han encontrado sistemas múltiples, pero los de dos planetas son los más abundantes: "Después hay una fracción menor con tres planetas y, a medida que aumenta el número de planetas, disminuye el número de sistemas descubiertos, y esto es debido a que las técnicas de detección tienen limitantes. Posiblemente estos sistemas de dos planetas posean más planetas, pero no los hemos detectado aún. Ya ha ocurrido que a sistemas con uno o dos planetas se les han detectado más miembros exoplanetarios. Esto siempre se está actualizando".

El proyecto de investigación se realizó con simulaciones dinámicas en las que se estudian las interacciones gravitacionales entre los planetas y la estrella. Estas representaciones teóricas permiten a los astrofísicos estudiar la evolución de estrellas a lo largo de miles de millones de años: "Necesitamos un modelo de evolución estelar que nos diga cómo se comportará la estrella en determinado periodo de tiempo, cómo evoluciona y se convierte en enana blanca pasando por la fase de gigante roja. Como queremos ver el impacto que tiene la estrella sobre los planetas en todas las fases de evolución, es necesario tener un modelo de evolución estelar bien definido, ya que la evolución de la estrella y el movimiento orbital de los planetas van de la mano. Aunque hasta ahora hemos encontrado que sólo aproximadamente el tres por ciento de nuestras simulaciones explicarían la contaminación de las enanas blancas, todavía este número es muy pequeño porque se espera que entre el 25 y el 50 por ciento de las enanas blancas están contaminadas. La predicción es que entre más planetas haya, mayor será su interacción gravitacional y por lo tanto la contribución a la contaminación de la enana blanca", apunta el M. C. Maldonado.

El Dr. Miguel Chávez añade que este trabajo de investigación busca ser más realista que estudios anteriores, ya que se basa en la arquitectura de sistemas planetarios observados e involucra el seguimiento de la evolución de la estrella desde que ingresa en la secuencia principal caracterizada por la combustión de hidrógeno en helio como sucede con nuestro Sol hasta el final de sus días.

Destaca asimismo que el principal resultado de este trabajo demuestra que sistemas de dos planetas son aún insuficientes para explicar el fenómeno de contaminación. "La prevalencia es pequeña, es decir, no se puede explicar el 25-50 por ciento de la contaminación que se ve en las enanas blancas. Lo que nos indica que necesitamos extender el análisis a sistemas con más de dos planetas".

Otro resultado relevante es que muchos de esos planetas terminan colisionando: "En las simulaciones ya no se les da más seguimiento porque se les considera destruidos, pero esta destrucción produce material que eventualmente puede ser lanzado hacia la enana blanca y absorbido por la atmósfera de la estrella".

Finalmente, muchos de los planetas son expelidos del sistema planetario y podrían terminar flotando libremente en el espacio.

El siguiente paso en la investigación de la contaminación en enanas blancas es incluir en las simulaciones sistemas con tres, cuatro, cinco y  seis planetas. De hecho, el equipo de astrofísicos está por enviar los resultados para los sistemas de tres planetas. También se planean simulaciones con cinturones de material rocoso similares al cinturón de asteroides que orbitan entre Marte y Júpiter en nuestro sistema solar, cuyas órbitas pudieron haber sido alteradas de tal forma que puedan contribuir a la contaminación.  

Para el Dr. Miguel Chávez, la Astrofísica Planetaria es uno de los campos más relevantes de la Astrofísica actual, ya que el descubrimiento de exoplanetas alrededor de estrellas similares al Sol ha contribuido al campo de investigación de la Astrobiología, cuyo objetivo es estudiar la potencial prevalencia de vida o precursores de ella en otros sistemas exoplanetarios, que en la actualidad son alrededor de 3200: "Claramente todos los observatorios del futuro como el James Webb Space Telescope tendrán programas para detectar biomarcadores en las atmósferas exoplanetarias".

Por lo que toca a las enanas blancas, el Dr. Chávez asevera que serán una clave en la búsqueda de vida fuera de la Tierra, ya que aun cuando llegan a la etapa final de su evolución y ya no poseen reacciones nucleares, su potencial gravitacional les permitirá generar energía y enfriarse muy lentamente, en escalas de tiempo comparables con el tiempo de 4500 millones de años que lleva nuestro sistema solar en el estado actual.

 "Si los planetas alrededor de estas estrellas sobreviven a la fase de gigante roja, y con la evidencia de la contaminación, es posible que durante el periodo de enfriamiento de una enana blanca los planetas que iniciaron muy lejos de ella ahora podrían estar más cerca y que muchos de ellos estén en la zona habitable. Por eso son fuentes importante para investigar si la vida puede emerger en ellos".