Dos exoplanetas podrían ser mundos de agua, según hallazgo de Hubble y Spitzer

Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Montreal ha encontrado evidencia de que dos exoplanetas que orbitan alrededor de una estrella enana roja son “mundos de agua”, en los que el agua constituye una gran parte de su volumen. Estos mundos, situados en un sistema planetario a 218 años luz de distancia en la constelación de Lyra, no se parecen a ningún planeta de nuestro sistema solar.

El equipo, dirigido por Caroline Piaulet, del Instituto Trottier de Investigación sobre Exoplanetas en la Universidad de Montreal, publicó el 15 de diciembre un detallado estudio de este sistema planetario, conocido como Kepler-138, en la revista científica Nature Astronomy.

Piaulet y sus colegas observaron los exoplanetas Kepler-138 c y Kepler-138 d con los telescopios espaciales de la NASA Hubble y Spitzer —este último ya retirado—, y descubrieron que los planetas podrían estar compuestos en gran parte por agua. Estos dos planetas y Kepler-138 b, un compañero planetario más pequeño y más cercano a la estrella, habían sido descubiertos anteriormente por el telescopio espacial Kepler de la NASA. El nuevo estudio también encontró evidencia de un cuarto planeta.

No se detectó agua directamente en Kepler-138 c y d, pero al comparar los tamaños y las masas de estos planetas con los modelos, los astrónomos concluyeron que una fracción significativa de su volumen —hasta la mitad de este— debería estar hecha de materiales más ligeros que la roca pero más pesados que el hidrógeno o el helio (que constituyen la mayor parte de los planetas gigantes gaseosos, como Júpiter). El más común de estos posibles materiales es el agua.

“Antes pensábamos que los planetas que eran un poco más grandes que la Tierra eran grandes bolas de metal y roca, como versiones a escala de la Tierra, y por eso los llamamos súper-Tierras”, explicó Björn Benneke, coautor del estudio y profesor de astrofísica en la Universidad de Montreal. “Sin embargo, ahora hemos demostrado que estos dos planetas, Kepler-138 c y d, son de naturaleza muy diferente y que una gran fracción de su volumen total probablemente esté compuesta de agua. Hasta ahora, es la mejor evidencia de mundos de agua, un tipo de planetas cuya existencia fue postulada en teoría por los astrónomos durante mucho tiempo”.

Con un volumen más de tres veces mayor que el de la Tierra y con más del doble de la masa, los planetas c y d tienen densidades mucho más bajas que la Tierra. Esto es sorprendente porque la mayoría de los planetas apenas un poco más grandes que la Tierra que han sido estudiados en detalle hasta ahora parecían ser todos mundos rocosos como el nuestro. La comparación más cercana a estos dos planetas, según los investigadores, serían algunas de las lunas heladas del sistema solar exterior, que también están compuestas en gran parte por agua que rodea un núcleo rocoso.

“Imaginemos versiones más grandes de Europa o Encélado, las lunas abundantes en agua que orbitan alrededor de Júpiter y Saturno, pero acercándolas mucho más a su estrella”, explicó Piaulet. “En lugar de una superficie helada, albergarían grandes capas de vapor de agua”.

Los investigadores advierten que los planetas podrían no tener océanos directamente en su superficie como los de la Tierra. “La temperatura en la atmósfera de Kepler-138 d está probablemente por encima del punto de ebullición del agua, y esperamos ver en este planeta una atmósfera densa y espesa hecha de vapor. Solo bajo esa atmósfera vaporosa podría haber agua líquida a alta presión, o incluso agua en otra fase que ocurre a altas presiones, llamada fluido supercrítico”, dijo Piaulet.

En 2014, los datos del telescopio espacial Kepler de la NASA permitieron a los astrónomos anunciar la detección de tres planetas en órbita alrededor de Kepler-138. Esto se basó en una disminución medible en la luz de la estrella cuando el planeta pasó momentáneamente frente a ella.

Benneke y su compañera Diana Dragomir, de la Universidad de Nuevo México, tuvieron la idea de volver a observar el sistema planetario con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer entre 2014 y 2016 para captar más tránsitos de Kepler-138 d, el tercer planeta del sistema, con el fin de estudiar su atmósfera.

Esta es una ilustración que muestra una sección transversal de la Tierra (izquierda) y el exoplaneta Kepler-138 d (derecha). Al igual que la Tierra, este exoplaneta tiene un interior compuesto por metales y rocas (parte marrón); pero Kepler-138 d también tiene una gruesa capa de agua a alta presión en diversas formas: agua supercrítica y potencialmente líquida en lo profundo del planeta y una envoltura extendida de vapor de agua (tonos de azul) por encima de ella. Estas capas de agua constituyen más del 50% de su volumen, lo que representa una profundidad de aproximadamente 2.000 kilómetros (1.243 millas). La Tierra, en comparación, tiene una fracción insignificante de agua líquida con una profundidad media del océano de menos de cuatro kilómetros (2.5 millas).
Créditos: Benoit Gougeon (Universidad de Montreal)

Un nuevo exoplaneta en el sistema

Los dos mundos de agua posibles, Kepler-138 c y d, no se encuentran en la zona habitable, o la región alrededor de una estrella donde las temperaturas permitirían la presencia de agua líquida en la superficie de un planeta rocoso. Pero en los datos de Hubble y Spitzer, los investigadores también encontraron evidencia de un nuevo planeta del sistema, Kepler-138 e, dentro de la zona habitable.

Este planeta recién descubierto es pequeño y está más lejos de su estrella que los otros tres, y tarda 38 días en completar una órbita. Sin embargo, la naturaleza de este nuevo planeta sigue siendo una incógnita porque no parece transitar por su estrella anfitriona. La observación del tránsito de este exoplaneta habría permitido a los astrónomos determinar su tamaño.

Ahora, con Kepler-138 e en la mira, se midieron de nuevo las masas de los planetas conocidos anteriormente mediante el método de variación del tiempo de tránsito, que consiste en registrar pequeñas variaciones en el momento preciso del tránsito de los planetas por delante de su estrella que son causadas por la atracción gravitatoria de otros planetas cercanos.

Los investigadores se llevaron otra sorpresa al descubrir que los dos mundos de agua, Kepler-138 c y d, son planetas “gemelos”, con prácticamente el mismo tamaño y la misma masa, mientras que antes se pensaba que eran radicalmente diferentes. Por otra parte, se ha confirmado que el planeta más cercano, Kepler-138 b, es un planeta pequeño que tiene la masa de Marte, lo que lo hace uno de los exoplanetas más pequeños conocidos hasta la fecha.

“A medida que nuestros instrumentos y técnicas se vuelven lo suficientemente sensibles como para encontrar y estudiar planetas que están más alejados de sus estrellas, podríamos comenzar a encontrar mucho más de estos mundos de agua”, concluyó Benneke.

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