Kepler-36 mostra che i sistemi planetari sono meno prevedibili di quanto pensassimo

Una collaborazione con Brandon Weigel

Nei primi anni dell'esoplanetologia, gli astronomi conoscevano un solo sistema multi-pianeta: il Sistema solare. Avevano simulazioni e modelli, ovviamente, ma negli anni '90 la teoria alla base di questi modelli era basata principalmente sul nostro sistema planetario. Anche senza altri punti dati, tuttavia, sembrava ragionevole supporre che la maggior parte degli altri sistemi esoplanetari fossero strutturati come i nostri: un insieme di pianeti terrestri in orbita vicino alla stella ospite, con pianeti giganti simili a Giove e Saturno in orbita più lontani.

Questo paradigma iniziò a sgretolarsi a metà degli anni '90, quando la scoperta del caldo Giove 51 Pegasi b trasformò la saggezza convenzionale in testa. I giganteschi giganti gassosi non dovrebbero semplicemente orbitare così vicino alle loro stelle ospiti! Lentamente ma sicuramente, molte delle nostre assunzioni sulla struttura dei sistemi planetari hanno dimostrato di essere completamente false, poiché scopriamo controesempi a idee di lunga data sulla formazione del pianeta.

Grazie al telescopio spaziale Kepler, conosciamo sistemi multiplanetari come Kepler-62, che ha cinque esopianeti confermati. Anche questo sistema, tuttavia, non è molto misterioso, rispetto ad altri che abbiamo trovato. Credito d'immagine: NASA

Una delle sorprese più recenti orbita attorno alla stella subgigante Kepler-36. Non è un pianeta, ma due pianeti extrasolari chiamati Kepler-36b e Kepler-36c, con assi semi-maggiori di 0,115 UA e 0,128 UA. Ciò significa che i due esopianeti sono molto vicini tra loro. Questo di per sé non è troppo strano; ciò che è bizzarro è che i due pianeti dovrebbero essere abbastanza simili, provenienti dalla stessa area del disco protoplanetario - ma non lo sono. Uno è un denso pianeta terrestre simile alla Terra, mentre l'altro è un mini-Nettuno con un involucro gassoso di idrogeno ed elio.

Quindi come si formano due esopianeti completamente diversi essenzialmente nello stesso punto? Questa è una buona domanda e la sua risposta risulta cruciale per la nostra comprensione del perché gli esopianeti sono così sorprendentemente diversi. Con Brandon Weigel, questa settimana sto approfondendo il motivo per cui i sistemi planetari dell'universo potrebbero essere più vari di quanto pensassimo.

Trovare sistemi multiplanetari è difficile!

Keplero esaminò solo una piccola porzione della galassia, ma scoprì ancora migliaia di esopianeti.

Nel corso della sua missione di nove anni, il telescopio spaziale Keplero ha monitorato oltre mezzo milione di stelle vicino al Sole. Keplero utilizzava il metodo di transito per rilevare gli esopianeti. Ha cercato piccoli cali nella luminosità di una stella. Se quelle immersioni si ripresentavano regolarmente, era una prova evidente che erano state causate da un esopianeta in orbita che passava tra Keplero e la stella. Di solito, la combinazione di dati per un candidato esopianeta è semplice come cercare immersioni che abbiano periodi chiari; vedi ogni set di spazi tra i transiti.

Per le stelle con più esopianeti in transito, tuttavia, le cose si complicano. Questi sistemi in genere producono curve di luce confuse che potrebbero facilmente essere confuse con altri fenomeni, come i punti stelle, oppure i transiti potrebbero essere del tutto persi. Nel caso di Kepler-36, c'era un ulteriore problema. I due esopianeti sono abbastanza vicini l'uno all'altro, e quindi producono variazioni dei tempi di transito, o TTV - cambiamenti nei tempi previsti dei transiti causati dalla reciproca attrazione gravitazionale.

Figura 1, Carter et al. 2012. La curva della luce grezza prodotta dal telescopio (in alto) sembra piena di immersioni casuali, ma c'è qualcosa di chiaramente non casuale al lavoro: due esopianeti in transito, Kepler-36b (in basso a sinistra) e Kepler-36c (in basso a destra).

Inizialmente, l'algoritmo di ricerca utilizzato da Keplero mancava completamente di Keplero-36b, che produceva cali solo del 17% più forti di quelli causati da Keplero-36c. Un secondo algoritmo, che tiene conto dei potenziali TTV, alla fine lo ha scoperto, rivelando un sistema molto più ricco di quanto inizialmente pensassero gli astronomi (Carter et al. 2012). In effetti, quei TTV, lungi dall'essere una minaccia, finirono per essere un tesoro di informazioni. Tipicamente, i transiti di un solo esopianeta producono solo una stima del suo raggio, ma i TTV hanno permesso al team di modellare le forze gravitazionali tra i pianeti per diverse masse di prova - e quindi derivare le loro masse effettive, che a loro volta hanno fornito una finestra sugli esopianeti 'composizioni.

Le osservazioni iniziali hanno rivelato masse di 4,45 e 8,08 masse terrestri per Keplero-36b e Keplero-36c, rispettivamente, e raggi corrispondenti di 1.486 e 3.679 raggi terrestri. Un semplice calcolo rivela densità di 7,46 grammi per centimetro cubo - un po 'più densa della Terra - e 0,89 grammi per centimetro cubo, che è vicino a Saturno. Le implicazioni erano chiare: Kepler-36b è un mondo roccioso con un nucleo ricco di ferro, mentre Kepler-36c è ricco di sostanze volatili e si mantiene in un'atmosfera composta principalmente da idrogeno ed elio.

Figura 3, Carter et al. 2012. Tracciare i punti dati su un diagramma di raggio di massa mostra che Keplero-36b, vicino al fondo, è un mondo roccioso, mentre Keplero-36c, vicino alla cima, è gassoso.

Questa è stata una sorpresa. Nonostante orbita a soli 0,01 UA l'uno dall'altro, il mondo interno era quasi nove volte più denso del suo compagno esterno. I modelli tradizionali di formazione del sistema planetario prevedono che questo tipo di immensa discrepanza dovrebbe essere impossibile. I due esopianeti dovrebbero essere abbastanza simili tra loro. Eppure i dati raccontavano una storia diversa.

Una soluzione primordiale per un problema primordiale

Gli astronomi non erano completamente sbalorditi dal puzzle. Carter et al. brevemente considerato due possibili soluzioni al problema: migrazione o erosione atmosferica. L'ipotesi della migrazione, originariamente sviluppata per spiegare il posizionamento inaspettato di Giove caldi, suggerisce che gli esopianeti incorporati nei dischi protoplanetari possono spostarsi drammaticamente dalle regioni esterne in orbite vicine attorno alla stella. Questo può essere innescato da interazioni di marea con il disco o perturbazioni con altri pianeti. In questo scenario, Keplero-36c si sarebbe formato molto lontano, dove accresceva i volatili e un sostanziale inviluppo idrogeno / elio, prima di essere spinto in un'orbita stretta attorno alla sua stella ospite.

Lopez e Fortney 2013 erano interessati ad esplorare la seconda possibilità. Protopianeti di tutte le forme e dimensioni possono accusare grandi buste di idrogeno ed elio durante le loro prime vite, ma piccoli pianeti a bassa massa vicino alle loro stelle ospiti spesso perdono queste atmosfere, trattenendo gas pesanti come ossigeno e azoto. Le radiazioni ultraviolette estreme (XUV) ionizzano il gas nell'atmosfera superiore e lo riscaldano; questo effetto - chiamato fotoevaporazione - è più pronunciato su molecole più leggere, come idrogeno ed elio, e quindi i corpi che subiscono elevati flussi XUV tendono a perdere questi gas abbastanza rapidamente.

Figura 2, Lopez e Fortney 2013. Gli astronomi hanno eseguito 6000 simulazioni per una vasta gamma di masse, flussi, composizioni e inerzie termiche nel tentativo di spiegare il sistema Kepler-36.

Kepler-36b e Kepler-36c sono piuttosto vicini tra loro, tuttavia, e se la migrazione non si fosse verificata, avrebbero dovuto ricevere la stessa quantità di flusso XUV. Che cosa, quindi, potrebbe far perdere gran parte della sua atmosfera? Lopez e Fortney hanno suggerito che una semplice condizione iniziale avrebbe potuto essere diversa: massa del nucleo. È possibile che Kepler-36b inizialmente sia iniziato come un protoplanet leggermente meno massiccio rispetto al suo vicino, il che significa che aveva una velocità di fuga corrispondentemente inferiore, e quindi era più facile perdere gas.

I teorici hanno deciso di provarlo. Hanno simulato una vasta gamma di modelli di esopianeti, che abbracciano una vasta gamma di masse e composizioni di base. Dopo aver simulato le perdite fotoevaporative nel corso di 7 miliardi di anni - l'età del sistema - hanno trovato parametri che riproducevano le proprietà derivate degli esopianeti. Kepler-36b iniziò con una massa interna di 4,45 masse terrestri - all'incirca la stessa della sua massa attuale - e perse quantità drammatiche di idrogeno ed elio nei primi 100 milioni di anni. Dopo due miliardi di anni, l'involucro di idrogeno / elio era completamente sparito.

Figura 1, Lopez & Fortney 2013. Kepler-36b e Kepler-36c, pur partendo con la stessa composizione, si sono evoluti in modi completamente diversi nei primi cento milioni di anni della loro formazione.

Kepler-36c, d'altra parte, ha conservato una quantità significativa del suo involucro dopo aver iniziato con una massa interna di 7,4 masse terrestri. Ha anche perso massa grazie alla fotoevaporazione, ma molto più lentamente e non in modo così drammatico. Questo lo ha lasciato finire come un oggetto simile a Nettuno con un'atmosfera idrogeno / elio, molto diverso dal suo vicino. Anche se i due pianeti iniziarono con la stessa composizione - 22% di idrogeno ed elio - la differenza nella massa del nucleo era sufficiente per inviarli su due percorsi completamente diversi.

Che cosa significa questo per l'esoplanetologia?

L'ipotesi di massa del nucleo è estremamente allettante. Se vero, significa che la casualità nei dischi protoplanetari può modellare naturalmente i sistemi in molti modi diversi. Elimina la necessità di migrazione - un processo delicato - per spiegare questo tipo di discrepanza di densità. Infine, dovrebbe essere possibile in qualsiasi sistema protoplanetario - il che è fortunato, poiché lo stesso strano contrasto di densità è stato osservato da allora in altre coppie di esopianeti (vedi Kipping et al. 2014). Al momento, potrebbe essere un pioniere spiegare il sistema Kepler-36.

Indipendentemente dal meccanismo alla base di questa strana coppia di esopianeti, dimostrano che possono esistere sistemi estremamente diversi di esopianeti. Non intendo dire che possa esistere una combinazione di masse, composizioni e orbite, ma dovremmo comunque aspettarci di scoprire sistemi esotici che non sarebbero fuori posto, per esempio, in Star Wars. Non sarebbe fuori discussione per una specie che vive in un mondo giungla salire su un'astronave e viaggiare in un piccolo gigante gassoso vicino in pochi mesi.

Sei ancora interessato a che tipo di sistemi esotici sto parlando? Brandon Weigel ha scritto un fantastico articolo sugli esopianeti che potresti trovare: mondi oceanici, pianeti di ferro e molto altro. Controlla!