martes, 13 de enero de 2015

Las órbitas planetarias muy inclinadas pueden ser comunes en el Universo

Comparación de HAT-P-11b con Neptuno.

Un equipo de investigadores liderado por astrónomos de la Universidad de Tokio y del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) han descubierto que las órbitas inclinadas pueden ser más habituales que extrañas en los sistemas exoplanetarios. Las medidas de los ángulos entre los ejes de rotación de la estrella (eje estelar de rotación) y la órbita del planeta (eje de la órbita planetaria) de los exoplanetas HAT-P-11b y  XO-4b demuestran que las órbitas de estos planetas extrasolares están muy inclinadas. Esta es la primera vez que los científicos han medido el ángulo para un planeta tan pequeño como HAT-P-11 b. Los nuevos hallazgos ofrecen importantes indicadores para probar diferentes modelos teóricos de cómo han evolucionado las órbitas de los sistemas planetarios.
 
Desde el descubrimiento del primer exoplaneta en 1995, los científicos han identificado más de 500 exoplanetas, es decir, planetas fuera de nuestro Sistema Solar, casi todos planetas gigantes. La mayoría de estos exoplanetas gigantes orbitan muy cerca de sus estrellas anfitrionas, a diferencia de los planetas gigantes de nuestro Sistema Solar, como Júpiter, que orbita al Sol a mayor distancia. Las teorías aceptadas proponen que estos planetas gigantes se formaron originalmente lejos de sus estrellas y luego emigraron a sus órbitas actuales. Se han sugerido diferentes procesos de migración para explicar el acercamiento de estos exoplanetas gigantes.

Los modelos de migración de interacción del disco planetario se enfocan en las interacciones entre los planetas y el disco a partir del cual se formaron originalmente. A veces, estas interacciones entre el disco protoplanetario y el planeta en formación dan como resultado fuerzas que hacen que el planeta caiga hacia su estrella madre. Este modelo predice que el eje de rotación de la estrella y el eje orbital del planeta estarán alineados entre sí.

Figura 1 .- Diagrama esquemático del efecto Rossiter-McLaughlin (RM).
Debido a la rotación estelar llamada "spin", la superficie estelar o "disco" tiene dos partes: la parte que se acerca (azul) y el lado de retroceso (rojo). Durante un pasaje planetario o "tránsito ", se observa la velocidad radial (RV) o la velocidad debida a la rotación estelar. Cuando el planeta en tránsito se acerca al lado del disco (azul), la estrella parece estar disminuyendo, y la RV muestra un aparente corrimiento al rojo. Cuando el planeta en tránsito se oculta , la estrella parece estar acercándose, y las exhibiciones de RV cambian a un tono azul. Estos cambios RV anómalos ocurren a lo largo de la trayectoria del planeta en relación con el disco estelar.
El diagrama muestra dos trayectorias diferentes. Los paneles de la izquierda indican la alineación entre el eje de rotación estelar y el eje orbital del planeta, mientras que los paneles de la derecha muestran la desalineación de los dos ejes en 50 grados. Por lo tanto, las mediciones precisas de un tránsito planetario permiten una estimación del ángulo entre los dos ejes.

Los modelos de migración e interacción entre planetas se habían centrando en la dispersión mutua entre los planetas gigantes.

La migración puede ocurrir a partir de la dispersión, cuando se dispersan varios planetas durante la creación de dos o más planetas gigantes dentro del mismo disco protoplanetario debido a repulsiones gravitatorias entre ellos. De esta forma algunos de los planetas son dispersados del sistema,  pero los más internos pueden establecerse en una órbita final muy cercana a la estrella central.

Otro escenario de interacción entre planetas, la migración Kozai, postula que las interacciones gravitatorias a largo plazo entre un planeta gigante interno y otro objeto celeste, como una estrella compañera o un planeta gigante externo, puede con el tiempo alterar las órbitas de los planetas, trasladando un planeta interior más cerca aún de su estrella. Las interacciones de migración entre planetas, incluyendo su dispersión y la migración Kozai, podrían producir una órbita inclinada entre los ejes planetarios y el eje estelar.
 
En general, la inclinación de los ejes orbitales de los planetas cercanos en relación con el eje de giro de la estrella madre, surge como una base de observación muy importante para apoyar o refutar los modelos de migración sobre los que se centran las teorías de la evolución orbital.

Un grupo de investigación liderado por astrónomos de la Universidad de Tokio y el NAOJ reunieron sus observaciones con el Telescopio Subaru para investigar estas inclinaciones en dos sistemas que presentan planetas con estas inclinaciones: HAT-P-11 y XO-4. El grupo midió el efecto Rossiter-McLaughlin (en adelante, RM) de los sistemas y encontró pruebas de que sus ejes orbitales tienen una pendiente, es decir, se inclinan en relación a los ejes de giro de sus estrellas madre.

El efecto de RM en el sistema HAT-P-11 basado en datos tomados en mayo de 2010 por el Subaru.
La línea roja muestra la RV adoptadas por el HDS mientras que el azul muestra la RV  tomada con el telescopio Keck . La línea de color negro sólido representa la curva de mejor ajuste. El panel inferior muestra los residuos de RV de la curva de mejor ajuste. Los residuos son mediciones de las observaciones menos los de mejor ajuste.

El efecto RM se refiere a las presentes irregularidades en la velocidad radial, o en la velocidad de un objeto celeste en la línea de visión del observador durante un tránsito planetario. A diferencia de las líneas espectrales, que son normalmente simétricas en las medidas de la velocidad radial, aquellos que sufren el efecto RM se desvían en un patrón asimétrico (ver Figura 1). Esta variación aparente de la velocidad radial durante un tránsito, revela el ángulo proyectado en el cielo entre el eje de rotación estelar y el eje de órbita planetario. El Telescopio Subaru ha participado en anteriores descubrimientos del efecto RM para aproximadamente 35 sistemas exoplanetarios hasta el momento.
 
En enero de 2010, un equipo de investigación liderado por los astrónomos del actual equipo de la Universidad de Tokio y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el NAOJ, usaron el Telescopio Subaru para observar el sistema planetario XO-4, situado a 960 años luz de distancia de la Tierra en la región de Lynx. El planeta del sistema tiene aproximadamente 1,3 veces la masa de Júpiter y una órbita circular de 4,13 días. Su detección del efecto RM mostró que el eje orbital del planeta XO-4 b está inclinado respecto al eje de rotación de su estrella madre. De momento, sólo el Telescopio Subaru ha medido el efecto RM para este sistema.

El efecto  RM en el sistema XO-4 , en enero de 2010 a partir de  las observaciones con el Telescopio Subaru.
Las mediciones de la RV tomadas por el Telescopio Subaru se muestran en relación con dos líneas: 1) una línea sólida que muestra la curva de ajuste perfecto y 2) una línea de puntos que muestra una curva modelo, asumiendo una perfecta alineación spin-órbita.La parte inferior muestra los residuos de los datos de RV de la curva de mejor ajuste.

En mayo y julio de 2010, el equipo de investigación llevó a cabo observaciones específicas del sistema exoplanetario HAT-P-11, que se encuentra a 130 años luz de la Tierra en la constelación de Cygnus. El planeta del tamaño de Neptuno, HAT-P-11 b, orbita a su estrella madre en una órbita no circular (excéntrica) de 4,89 días y está entre los exoplanetas más pequeños descubiertos. Hasta esta investigación, los científicos sólo habían detectado el efecto RM en planetas gigantes. La detección del efecto RM para planetas de menor tamaño es un reto porque la señal del efecto RM es proporcional al tamaño del planeta; cuanto menor es el planeta en tránsito, más débil es la señal.
 
El equipo aprovechó el enorme poder de recolección de luz del Telescopio Subaru, de 8,2 metros, así como la precisión de su Espectrógrafo de Alta Dispersión. Sus observaciones no sólo ofrecieron como resultado la primera detección del efecto RM para un exoplaneta del tamaño de Neptuno, sino que también proporcionaron pruebas de que el eje orbital del planeta se inclina respecto al eje de rotación de su estrella aproximadamente 103 grados en el cielo. Un grupo de investigación de los Estados Unidos usó el Telescopio Keck para realizar observaciones independientes del efecto RM del mismo sistema en mayo y agosto de 2010; sus resultados fueron similares a los de la Universidad de Tokio/NAOJ en mayo y julio de 2010.
 
Las observaciones del efecto RM para los sistemas planetarios HAT-P-11 y XO-4 han demostrado que tienen órbitas planetarias muy inclinadas en relación a los ejes de rotación de sus estrellas. Los últimos resultados acerca de estos sistemas, incluyendo los obtenidos independientemente de los hallazgos aquí presentados, sugieren que las órbitas planetarias muy inclinadas pueden ser comunes en el Universo. El escenario en el que ocurre la migración, puede ser causado por la dispersión planeta-planeta, o la migración Kozai, en lugar de la interacción entre el planeta y el disco protoplanetario.
 
Sin embargo, las medidas del efecto RM para sistemas individuales no pueden discriminar de manera decisiva entre los escenarios de migración. El análisis estadístico puede ayudar a los científicos a determinar en su caso, qué proceso de migración, si es que lo ha habido, ha sido el responsable de estas órbitas tan inclinadas de los planetas gigantes. Dado que los diferentes modelos de migración predicen distintas distribuciones de ángulo entre el eje estelar y planetario, desarrollar una gran muestra del efecto RM permitirá a los científicos apoyar el proceso de migración más plausible. La inclusión de las medidas del efecto RM para un planeta tan pequeño como HAT-P-11 b en dicha muestra desempeñará un papel importante en las discusiones sobre los escenarios de migración planetaria.

Ilustración del sistema HAT-P-11  basado en las observaciones del telescopio de Subaru. La órbita del planeta está muy inclinada.



Muchos grupos de investigación están planificando observaciones del efecto RM con telescopios repartidos por todo el mundo. El actual equipo del Telescopio Subaru jugará un papel importante en las próximas investigaciones. Observaciones continuas de los sistemas exoplanetarios en tránsito contribuirán a comprender la historia de la formación y la migración de los sistemas planetarios en un futuro cercano.



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