Un equipo científico internacional, en el que participa la Universidad de Cádiz, ha descubierto un centenar de nuevos planetas que flotan libremente en nuestra galaxia, concretamente en una de las regiones de formación estelar más cercanas a la Tierra. Esta investigación forma parte del programa del ERC Consolidator COSMIC-DANCE, dirigido por H. Bouy de la Universidad de Burdeos y es el principal resultado de la tesis doctoral de N. Miret Roig, en el contexto del proyecto del ERC. Los resultados de este artículo ‘A rich population of free-floating planets in the Upper Scorpius young stellar association’ se han publicado en la prestigiosa revista científica Nature Astronomy.

La naturaleza y el origen de los planetas errantes (free-floating planets, FFPs, en inglés) siguen sin estar claros: ¿se forman como las estrellas mediante el colapso gravitatorio de pequeñas nubes de gas? ¿O se forman como los planetas alrededor de las estrellas y luego son arrancados o expulsados dinámicamente? Aunque se sabe que ambos mecanismos pueden producir planetas errantes, se desconoce cómo contribuyen a su formación debido a que no se dispone de una amplia muestra homogénea.

Identificar planetas errantes dentro de un cúmulo de estrellas es un reto importante, en muchos sentidos parecido a buscar una aguja en un pajar. En primer lugar, se necesitan ojos suficientemente sensibles para detectarlas, mientras que las estrellas son relativamente brillantes y fáciles de detectar, los miembros de la masa planetaria son varios miles de veces más débiles y solo pueden detectarse con telescopios de gran diámetro y detectores sensibles.

Para afrontar este desafío, “combinamos el acervo de imágenes disponibles en los archivos astronómicos públicos con nuevas observaciones de gran campo profundo obtenidas con los mejores telescopios infrarrojos y ópticos del mundo para medir los diminutos movimientos, los colores y las luminosidades de decenas de millones de fuentes en una amplia zona del cielo, donde se encuentra la asociación estelar joven Upper Scorpius OB. La combinación de los movimientos propios (es decir, los movimientos sobre el plano del cielo) y la fotometría de múltiples longitudes de onda es, de hecho, la forma más eficaz y robusta de identificar a todos los miembros de una asociación en áreas muy extensas”. Cada miembro de una asociación nació en un mismo complejo de nubes moleculares con su propio impulso original. Al final del proceso de formación, se mueven juntos con movimientos espaciales similares a los del complejo de nubes progenitor, lo que constituye un método de identificación extremadamente eficaz. Las estrellas del campo que no están relacionadas tienen movimientos propios casi aleatorios, mientras que las galaxias del fondo no tienen ningún movimiento propio medible. Por lo tanto, cualquier objeto que muestre un movimiento propio similar al del grupo es probablemente un miembro. Las luminosidades y los colores se pueden utilizar para afinar la selección y rechazar a los pocos objetos restantes.

En este estudio internacional se ha observado la mayor población de planetas errantes cercanos a la Tierra descubierta hasta la fecha.

A partir de más de 80.000 imágenes de gran campo que suman hasta 100 TB y abarcan 20 años, han identificado hasta 170 planetas errantes de la asociación Upper Scorpius entre la ingente cantidad de estrellas y galaxias de fondo. Se trata de la mayor muestra de planetas errantes en una sola asociación y casi duplica el número de planetas errantes conocidos hasta la fecha en todo el cielo.  Este número “excede claramente el número de planetas errantes esperado si éstos se forman como estrellas a partir del colapso de una pequeña nube molecular, lo que indica que deben estar en juego otros mecanismos. Con el conocimiento actual de los sistemas exoplanetarios (frecuencia, configuración, dinámica), estimamos que la eyección dinámica de los sistemas planetarios es un mecanismo importante en su formación”, en palabras de sus investigadores.

Núria Miret Roig, primera autora del artículo, afirma que el descubrimiento de esta gran población de planetas errantes jóvenes también tiene importantes implicaciones en la formación y evolución temprana de los sistemas planetarios y, específicamente, en la escala de tiempo de los procesos involucrados. Las observaciones “sugieren que los sistemas planetarios gigantes deben formarse y volverse dinámicamente inestables dentro del tiempo de vida observado en la región de 3-10 millones de años para contribuir a la población de planetas errantes”. Los estudios actuales proponen que la inestabilidad entre los planetas gigantes de nuestro Sistema Solar también puede haber ocurrido en épocas tempranas, aunque “fue mucho menos violenta que la inestabilidad necesaria para expulsar planetas tan masivos como los que hemos encontrado”.

Los planetas errantes que se han identificado, según Hervé Bouy, responsable del proyecto europeo que ha financiado este trabajo,  son también “excelentes objetivos para hacer estudios de seguimiento. Por ejemplo, para estudiar las atmósferas planetarias en ausencia de una estrella anfitriona que los oculte, lo que sería interesante para comparar con las atmósferas de planetas que orbitan estrellas”. Además, el estudio de las propiedades binarias y del disco de estos objetos arrojará más luz sobre su proceso de formación.

“Suponiendo que la fracción de planetas errantes que medimos en Upper Scorpius sea similar a la de otras regiones de formación estelar, podría haber varios miles de millones de planetas tipo Júpiter vagando por la Vía Láctea sin una estrella anfitriona. Este número sería aún mayor para los planetas con masa similar a la Tierra, ya que se sabe que son más comunes que los planetas masivos”, según explican los científicos.

Modelo probabilístico, desde la UCA

La decisión sobre si un planeta es errante o no, se realiza a través de un modelo probabilístico complejo. El profesor Ángel Berihuete Macías, del departamento de Estadística e Investigación Operativa de la UCA, ha participado en el diseño y su inferencia bajo el paradigma de los modelos jerárquicos Bayesianos. La inferencia de este modelo complejo se ha realizado en entornos de computación paralela con altos costes computacionales en términos de consumo de memoria y tiempos de ejecución.

Este estudio ha sido posible gracias al uso extensivo de datos de ESO, NOAJ, NOAO, ING, VISIONS y de la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Referencia bibliográfica:

N. Miret Roig, H. Bouy, Miret Roig, Hervé Bouy y Berihuete Macías. Nature Astronomy. 2021.