Calar Alto descubre una danza mágica de seis planetas sobre la misma estrella

En la constelación boreal de la Caballera de Berenice se encuentra una estrella llamada HD110067. Aunque es diez veces demasiado débil para ser avistada a ojo desnudo en el cielo aún oscuro de Calar Alto, es una estrella enana naranja cercana, pues suficientemente brillante como para ser visible con prismáticos comunes, ya que se encuentra a sólo unos 100 años luz de distancia del Sol, aunque es un 20% más pequeño que nuestra estrella.

Un artículo que se publica hoy (29 de noviembre del 2023) en la prestigiosa revista Nature revela que esta estrella está rodeada por un “sistema solar” muy peculiar, detectado gracias a un cuidadoso re-análisis de sus múltiples micro-eclipses vistos desde la Tierra: cada uno de los 6 planetas descubiertos muestra una relación simple entre su período orbital y el de su vecino, siguiendo una delicada cadena de órbitas en resonancia.

Ya en 2020, el satélite de estudio de exoplanetas en tránsito (TESS por sus siglas en inglés) de la NASA detectó algunas pequeñas caídas periódicas en el brillo de HD110067, lo que implicaba que uno o más planetas pasaban por delante de la estrella. Entonces se pensó en la presencia de dos planetas, HD110067b y c, aunque sus períodos orbitales (que es el tiempo que un planeta necesita para dar la vuelta completa a su estrella) no pudieron determinarse claramente hasta 2022, cuando TESS volvió a observar el campo en la Caballera de Berenice. Sin embargo, las propiedades del sistema seguían siendo desconcertantes.

Rafael Luque, un investigador español que trabaja en la Universidad de Chicago (EE.UU.), decidió utilizar CHEOPS, otro telescopio espacial, de la agencia espacial europea (ESA), para estudiar mejor el sistema. De hecho, con los datos de CHEOPS se detectó un tercer exoplaneta (en realidad, el más grande). Además, se descubrió que los tres cuerpos tenían revoluciones sincronizadas puesto que sus períodos orbitales eran iguales dentro de un factor 1,5x. Este fenómeno se conoce como resonancia “3:2”, lo que significa que el interior da tres revoluciones mientras que el exterior orbita sólo dos veces la estrella: el planeta interior tiene el período más corto de 9,1 días, el segundo de 13,7 y el tercero de 20,5 días.

Intrigado por esta “danza de los tres planetas” sincronizada alrededor de HD110067, el equipo internacional volvió a analizar los datos y, afinando sus modelos basados en las observaciones espaciales, Luque y colaboradores descubrieron que, en realidad, se necesitaba añadir tres planetas más para explicar todas las características de las caídas de luz observadas por TESS y CHEOPS. En detalle, una resonancia más en “3:2”, con un periodo de 30,8 días para HD110067e; y dos resonancias “4:3” para HD110067f y g, el par de cuerpos más externos que orbitan la estrella, con períodos de 41 y 55 días, respectivamente.

Además, mirando la intensidad de esos micro-eclipses, se descubrió que los tamaños de los 6 planetas oscilaban entre 2 y 3 radios terrestres, aunque se necesitaban espectros de alta calidad del sistema para determinar las masas planetarias y, por lo tanto, sus densidades.

“Cheops nos llevó a descubrir esta configuración resonante que nos permitió predecir todos los demás períodos. Sin esa detección de Cheops, hubiera sido imposible”, afirma Rafael Luque. Los sistemas planetarios generalmente nacieron en resonancia, pero comúnmente están perturbados, p.ej. por el paso de otra estrella o de un planeta gigante, que habitualmente modifica definitivamente la cadena de órbitas inicialmente “ordenada”. Los sistemas multi-planetarios que permanecen en resonancia durante más de cientos de millones de años, son muy poco comunes.

“Se cree que sólo el uno por ciento, más o menos, de todos los sistemas permanecen en resonancia", confirma Rafael Luque, quien añade que "HD110067 nos muestra la configuración prístina de un sistema planetario que ha sobrevivido intacto".

Pues este caso tan especial puede ser clave para comprender mejor los mecanismos de nacimiento y evolución de los sistemas planetarios, en particular teniendo en cuenta que más de la mitad de las estrellas similares al Sol albergan planetas en órbitas cercanas con tamaños entre los de la Tierra y Neptuno.

HD110067 es también la estrella más brillante conocida en albergar más de cuatro planetas, lo que hace que sea mucho más fácil hacer un seguimiento con otras instalaciones desde la Tierra. En particular, fue necesario monitorear la estrella anfitriona con diferentes telescopios e instrumentos (espectrógrafos) para determinar los cambios en su velocidad radial debidos al bamboleo planetario y para separarlos de la actividad estelar en sí.

Las observaciones combinadas con CARMENES y HARPS-N, otro espectrógrafo de alta resolución en un telescopio de tamaño similar al de 3,5 m en CAHA, proporcionaron finalmente unas estimaciones de masa de los planetas: todos tienen alrededor de 4 a 8 masas terrestres, lo que implica que son de baja densidad (no rocosos), unas versiones reducidas de objetos gaseosos como Neptuno. Además, la cercanía a su estrella anfitriona implica que tienen una temperatura de equilibrio bastante alta, que oscila entre aproximadamente 170 °C para HD110067g (el más distante) y 530 °C para HD110067b (el más interno), siendo la temperatura real de la superficie probablemente más alta en caso de tener atmósferas (densas) esos planetas.

El sextillizo de “sub neptunos” que orbitan en perfecta resonancia alrededor de la estrella relativamente cercana y brillante HD110067, y que probablemente tienen atmósferas extendidas de hidrógeno, los convierte en candidatos idóneos para estudiar la composición de sus atmósferas, utilizando los telescopios espaciales actuales (James Webb) y futuros (Ariel y Platón).

Mientras tanto, este notable sistema planetario seguirá siendo monitoreado desde Calar Alto con el espectrógrafo CARMENES, para afinar las estimaciones de masa de los seis planetas conocidos y, tal vez, para descubrir otros nuevos, de largo período, en órbitas más externas, posiblemente ubicadas en la zona de habitabilidad alrededor de la estrella naranja HD110067.