Un sistema planetario descubierto por la misión Kepler de la NASA tiene seis planetas alrededor de una estrella como el Sol, entre ellos cinco pequeños planetas en órbitas bien reducidas. Los astrónomos de la Universidad de California en Santa Cruz, y sus co-autores analizan la dinámica orbital del sistema, determina el tamaño y las masas de los planetas, y descubrieron sus composiciones probables - todos basados en las mediciones de Kepler de la luminosidad cambiante de la estrella (llamada Kepler-11) cuando como los planetas pasan frente a ella.
"Esto no sólo es un increíble sistema planetario, sino que también valida un nuevo método de gran alcance para medir las masas de los planetas ", dijo Daniel Fabrycky, un becario postdoctoral del Hubble en la UC Santa Cruz, quien dirigió el análisis de la dinámica orbital. Fabrycky y Jack Lissauer, un científico de la NASA, son los autores principales de un documento sobre Kepler-11 publicado el 3 de febrero en la revista "Naturaleza".
Los cinco planetas interiores del sistema de Kepler-11 tienen un tamaño de entre 2,3 a 13,5 veces la masa de la Tierra. Sus periodos orbitales son de menos de 50 días, por lo que las órbitas cabe dentro de una región que podría caber la órbita de Mercurio en nuestro sistema solar. El sexto planeta es más grande y está más lejos, con un período orbital de 118 días y una masa indeterminada.
"De los seis planetas, los más masivos son potencialmente como Neptuno y Urano, pero los tres planetas de masas más bajas son diferentes a cualquier cosa que tengamos en nuestro sistema solar", dijo Jonathan Fortney, profesor asistente de astronomía y astrofísica en la UCSC, que dirigió el trabajo en la comprensión de la estructura y composición de los planetas, junto con los estudiantes se gradúan de UCSC Eric López y Neil Miller.
El telescopio espacial Kepler detectará planetas "en tránsito" o al pasar por delante de su estrella madre, causando caídas periódicas en el brillo de la estrella, medida por el fotómetro sensible del telescopio. El importe de la reducción del brillo indica a los científicos el tamaño del planeta en términos de su radio. El tiempo entre los tránsitos les dice su período orbital. Para determinar las masas de los planetas, Fabrycky ha analizado ligeras variaciones en los períodos orbitales causados por interacciones gravitatorias entre los planetas.
"El momento de los tránsitos no es perfectamente periódico, y es la firma en la que los planetas interactúan gravitacionalmente," dijo. "Al desarrollar un modelo de dinámica orbital, se trabajó a cabo las masas de los planetas y se verificó que el sistema puede ser estable en escalas de tiempo de millones de años."
Anteriormente, las detecciones de planetas en tránsito habían sido objeto de seguimiento con las observaciones de telescopios de gran alcance basados en tierra para confirmar el planeta y determinar su masa usando la espectroscopia Doppler, que mide el "bamboleo" en el movimiento de la estrella causado por el tirón gravitatorio del planeta. Con Kepler-11, sin embargo, los planetas son demasiado pequeños y la estrella (2.000 años luz de distancia) es demasiado débil para la espectroscopia Doppler para el trabajo. Es probable que esto sea el caso con muchos de los planetas detectados por la misión Kepler, el objetivo principal es encontrar alguno del tamaño de la Tierra o pequeños planetas en zonas habitables de sus estrellas.
"Tendremos que utilizar mucho la dinámica orbital con la misión Kepler para medir las masas de los planetas, así que esperamos estar haciendo un montón de esos análisis", dijo Fabrycky.
Más de 100 planetas en tránsito han sido observados por Kepler y otros telescopios, pero la gran mayoría de ellos son gigantes gaseosos como Júpiter, y casi todos ellos se encuentran en sistemas de un solo planeta. El sistema de Kepler-11 es notable en cuanto al número de planetas, sus pequeños tamaños, y sus órbitas muy juntas. Antes de esto, los astrónomos habían determinado a la vez el tamaño y la masa de sólo tres exoplanetas más pequeños que Neptuno. Ahora, un único sistema planetario se ha añadido a cinco más. El sexto planeta de Kepler-11 está lo suficientemente separado de los demás que el método de perturbación orbital no se puede utilizar para determinar su masa, dijo Fabrycky.
Como es el caso de nuestro sistema solar, todos los planetas de la órbita de Kepler-11 están más o menos en el mismo plano. Este hallazgo refuerza la idea de que los planetas se forman en discos aplanados de gas y polvo girando alrededor de una estrella, y el patrón de disco se conserva después de que los planetas se hayan formado, dijo Fabrycky. "Las órbitas coplanares en nuestro sistema solar inspiran esta teoría, en primer lugar, y ahora tenemos otro buen ejemplo. Pero esto y la estrella como el Sol es lo único del sistema Kepler-11 que es como el sistema solar", dijo .
Las densidades de los planetas (derivado de la masa y el radio) dan pistas sobre sus composiciones. Los seis planetas tienen una densidad menor que la Tierra. "Parece que el interior de dos podrían ser en su mayoría agua, posiblemente con una fina capa de gas de hidrógeno y helio en la parte superior, como mini-Neptunos", dijo Fortney. "Los que están más lejos tienen una densidad menor que el agua, lo que parece indicar una atmósfera significativa de helio e hidrógeno."
Eso es sorprendente, ya que un planeta pequeño, caliente debe tener dificultades para mantener una atmósfera ligera. "Estos planetas están muy calientes, ya que sus órbitas cercanas, y el más caliente tiene que tener la gravedad mayor que se necesita para mantener la atmósfera", dijo Fortney. "Mis alumnos y yo estamos trabajando en esto, pero nuestros pensamientos son que todos estos planetas probablemente comenzaron con un ambiente más masivo de hidrógeno-helio, y vemos los restos de esos ambientes en los que están más lejos. Los más probable es que hayan perdido la mayor parte de ella. "
Una de las razones en las que un sistema de seis planetas es tan emocionante es que permite a los científicos a hacer este tipo de comparaciones entre los planetas dentro del sistema mismo. "Eso es realmente maravilloso, ya que podemos averiguar qué ha pasado con este sistema en su conjunto", dijo Fortney. "La ciencia planetaria comparativa es cómo la hemos llegado a comprender en nuestro sistema solar, así que esto es mucho mejor que simplemente encontrar un Júpiter caliente solitario cerca de otras estrellas. "
Por ejemplo, la presencia de pequeños planetas con atmósferas de helio e hidrógeno, sugiere que este sistema se formó relativamente rápido, dijo. Los estudios indican que los discos estelares pierden su hidrógeno y el helio dentro de unos 5 millones de años. "Así que nos dice qué tan rápido se pueden formar planetas", dijo Fortney.
Los planetas interiores están tan juntos que parece poco probable que se formasen donde están ahora, agregó. "Por lo menos algunos se han formado más lejos y migran hacia el interior. Si un planeta nace en un disco de gas, la gravedad de la estrella lleva al planeta en espiral hacia el interior a lo largo del tiempo. Así que la formación y la migración tenía que suceder pronto."