Una explicación al misterio de la formación del exoplaneta CI Tauri b

Un concepto artístico de varios planetas gigantes gaseosos que orbitan cerca de una estrella joven que tiene un disco protoplanetario remanente. Debido a que el disco remanente alrededor de CI Tau se encuentra en un ligero ángulo, similar a lo que se muestra en esta imagen, los astrónomos pudieron medir directamente la luz tanto de la estrella como de su planeta en órbita cercana CI Tau b. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle.

CI Tau b es un planeta paradójico, pero una nueva investigación sobre su masa, brillo y el monóxido de carbono en su atmósfera está comenzando a responder preguntas sobre cómo un planeta tan grande podría haberse formado alrededor de una estrella que tiene solo 2 millones de años.

En una reunión de la American Astronomical Society, los astrónomos Christopher Johns-Krull de la Rice University y Lisa Prato del Lowell Observatory presentaron los resultados de un análisis espectroscópico de luz de infrarrojo cercano de cuatro años de CI Tau b, un exoplaneta gigante en órbita cercana "Júpiter caliente", en una órbita de nueve días alrededor de su estrella madre, a unos 450 años luz de la Tierra en la constelación de Tauro.

"Lo emocionante es que somos capaces de detectar la luz directamente desde el planeta, y es la primera vez que se hace para un planeta cercano con una estrella tan joven", dijo Johns-Krull, profesor de física y astronomía, autor de un estudio que está programado para su publicación en Astrophysical Journal Letters de AAS. "La forma más valiosa de aprender cómo se forman los planetas es estudiar planetas, como CI Tau b, que aún se están formando o acaban de formarse".

Laura Flagg y Christopher Johns-Krull, astrónomos de la Universidad Rice, con una impresión artística de un sistema estelar similar al de CI Tau. Ellos y sus colegas del Observatorio Lowell, la Universidad de Texas en Austin y el Observatorio McDonald de UT-Austin utilizaron datos espectrales para realizar la primera medición directa de la masa y el brillo del joven planeta "Júpiter", CI Tau b. Ilustración de Jeff Fitlow / Rice University.

Durante décadas, la mayoría de los astrónomos creían que planetas gigantes como Júpiter y Saturno se formaron lejos de sus estrellas en períodos de 10 millones de años o más. Pero el descubrimiento de docenas de "Júpiter calientes" condujo a nuevos modelos teóricos que describen cómo podrían formarse tales planetas.

Johns-Krull dijo que la edad de CI Tau b lo convirtió en el candidato perfecto para la observación con el espectrógrafo de infrarrojos con rejilla de inmersión (IGRINS), un instrumento único de alta resolución que se usó durante las observaciones de CI Tau b del Harlan J. de 2,7 metros del Observatorio McDonald del Telescopio Smith y el Telescopio Discovery Channel de 4.3 metros del Observatorio Lowell.

Debido a que cada elemento atómico y molécula en una estrella emite luz desde un conjunto único de longitudes de onda, los astrónomos pueden buscar firmas específicas, o líneas espectrales, para ver si un elemento está presente en una estrella o planetas distantes. Las líneas espectrales también pueden revelar la temperatura y la densidad de una estrella y lo rápido qué se está moviendo.

Los datos de observación para el estudio CI Tau b se recopilaron con el espectrógrafo de infrarrojos con rejilla de inmersión, o IGRINS, en el Telescopio Discovery Channel de 4.3 metros del Observatorio Lowell en Flagstaff, Arizona. Ilustración de Joe Llama / Observatorio Lowell.

Prato dijo que el equipo de investigación utilizó las líneas espectrales del monóxido de carbono para distinguir la luz emitida por el planeta de la luz emitida por la estrella cercana.

"Muchas de las líneas espectrales que están en el planeta también están en la estrella", dijo Prato. "Si tanto el planeta como la estrella estuvieran estacionarios, sus líneas espectrales se mezclarían, y no podríamos decir cuál era de la estrella y cuál era del planeta. Pero debido a que el planeta orbita rápidamente la estrella, sus líneas se desplazan hacia atrás y hacia adelante dramáticamente. Podemos restar las líneas de la estrella y ver solo las líneas del planeta. Y a partir de ellos, podemos determinar lo brillante qué es el planeta, en relación con la estrella, lo que nos dice algo sobre cómo se formó ".

Esto se debe a que el brillo de una estrella o planeta depende tanto de su tamaño como de su temperatura.

"La evidencia de observación directa de la masa y el brillo de CI Tau b es particularmente útil porque también sabemos que orbita una estrella muy joven", dijo Rice Ph.D. la estudiante Laura Flagg, autora principal del próximo estudio. "La mayoría de los Júpiter calientes que hemos encontrado están orbitando estrellas de mediana edad. La edad de CI Tau impone una fuerte restricción para poner a prueba los modelos: ¿Pueden producir un planeta tan brillante y tan masivo en tan poco tiempo?"

El análisis de Flagg de las líneas espectrales del monóxido de carbono mostró que el CI Tau b tiene una masa de 11,6 Júpiter y es aproximadamente 134 veces más débil que su estrella madre. Prato dijo que proporciona una fuerte evidencia de que se formó a través de un "inicio caliente", un modelo teórico que describe cómo las inestabilidades gravitacionales podrían formar planetas gigantes más rápidamente que los modelos tradicionales.

Prato dijo que el nuevo estudio proporciona un criterio empírico único para medir teorías que compiten entre sí.

Los datos de observación para el estudio CI Tau b se recopilaron con el espectrógrafo de infrarrojos con rejilla de inmersión, o IGRINS, en la Universidad de Texas en el Observatorio McDonald de Austin cerca de Fort Davis, Texas. (Crédito de la imagen: Ethan Tweedie Photography).

"Con aproximadamente 2 millones de años, CI Tau b es, con mucho, el Júpiter caliente más joven detectado directamente", dijo. "Ahora tenemos una masa y brillo para eso, la única masa y brillo medidos directamente para un joven Júpiter caliente, y eso proporciona pruebas muy sólidas para los modelos de formación de planetas".

IGRINS, que fue diseñado por el coautor del estudio Daniel Jaffe de la Universidad de Texas en Austin, usa una rejilla de difracción basada en silicio para mejorar tanto la resolución como el número de bandas espectrales del infrarrojo cercano que se pueden observar desde objetos distantes como CI Tau B y su estrella madre. IGRINS se mudó de McDonald a Lowell a mitad del estudio.

Los coautores adicionales incluyen Larissa Nofi y Joe Llama del Observatorio Lowell, y Kendall Sullivan y Gregory Mace de UT Austin y su Observatorio McDonald. La investigación fue apoyada por Rice, la Fundación Nacional de Ciencia (AST-1461918, AST-1229522 y AST-1702267), UT Austin, el Instituto de Astronomía y Ciencia del Espacio de Corea, NASA (18-XRP18_2-0138) y el Observatorio Lowell.