Entre las más de 4.500 estrellas conocidas que albergan planetas, destaca un patrón sorprendente. Aunque se espera que se formen planetas alrededor de la mayoría de las estrellas y muchas estrellas existen en pares, los mundos que orbitan ambas estrellas son inusualmente poco comunes.
De los más de 6.000 exoplanetas confirmados o descubiertos hasta ahora, en su mayoría por el telescopio espacial Kepler de la NASA y el Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), sólo se ha descubierto que 14 orbitan estrellas binarias. Según las expectativas, los astrónomos pensaron que debería haber cientos. Entonces, ¿dónde están las versiones reales de Tatooine de Star Wars?
Investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad Americana de Beirut han sugerido ahora una respuesta que apunta a la teoría general de la relatividad de Einstein.
Cómo la gravedad da forma a las órbitas en sistemas estelares binarios
En un sistema binario típico, dos estrellas de masas ligeramente diferentes giran entre sí a lo largo de trayectorias alargadas o elípticas. Un planeta que orbita ambas estrellas experimenta tirones gravitacionales competitivos, lo que hace que su órbita gire o avance lentamente, de manera muy similar a una peonza que se tambalea bajo la gravedad.
Las propias estrellas también progresan, pero por diferentes razones. Su movimiento se ve afectado por la relatividad general. Con el tiempo, la fuerza de marea entre las dos estrellas las acerca gradualmente. A medida que sus órbitas se reducen, las estrellas se aceleran, mientras que los planetas disminuyen su velocidad.
Finalmente, estas dos tasas son lo que los científicos llaman resonancia. Cuando esto sucede, la órbita del planeta se expande y se vuelve inestable. Oscila más en un punto y se acerca mucho más en otro.
“Pueden suceder dos cosas: o el planeta se acerca demasiado a la binaria, es perturbado por las mareas o engullido por una de las estrellas, o su órbita se ve significativamente perturbada por la binaria, de modo que eventualmente sale del sistema”, dijo Mohammad Farhat, becario postdoctoral Miller en UC Berkeley y primer autor del artículo. “En cualquier caso, puedes deshacerte del planeta”.
Esto no significa que las estrellas binarias estén completamente desprovistas de planetas. Los que permanecen en órbita muy lejos, lo que los hace difíciles de detectar con los métodos de tránsito actuales utilizados por Kepler y TESS.
“Por supuesto que hay planetas ahí fuera. Son difíciles de detectar con los instrumentos actuales”, dijo el coautor Jihad Touma, profesor de física en la Universidad Americana de Beirut.
Los equipos informan sus resultados. Cartas de revistas astrofísicas.
Un “desierto” planetario alrededor de una estrella binaria apretada
Tanto Kepler como TESS detectan planetas midiendo pequeñas caídas en la luz de las estrellas cuando un planeta pasa frente a su estrella. Kepler también identificó alrededor de 3.000 sistemas binarios eclipsantes, en los que una estrella pasa periódicamente por delante de la otra.
Dado que alrededor del 10% de las estrellas similares al Sol albergan planetas grandes, los científicos esperaban una fracción similar alrededor de las estrellas binarias, que ascendería a unos 300 sistemas. En cambio, sólo se encontraron 47 candidatos y se confirmó que sólo 14 planetas orbitaban ambas estrellas.
En particular, ninguno de estos planetas confirmados orbita estrellas binarias muy cercanas que completen una órbita en menos de siete días.
“Por lo general, no hay planetas en órbita y hay un desierto absoluto alrededor de sistemas binarios con períodos orbitales de siete días o menos”, dijo Farhat. “La abrumadora mayoría de las binarias eclipsantes son binarias estrechas y son precisamente los sistemas alrededor de los cuales esperamos encontrar planetas circunestelares en tránsito”.
Los sistemas binarios también contienen lo que los científicos llaman una región de inestabilidad, una región donde la órbita del planeta no puede permanecer estable. En esta región, la influencia gravitacional combinada de las dos estrellas empuja a los planetas fuera del sistema o los atrae hacia adentro hasta su destrucción.
Curiosamente, 12 de los 14 planetas orbitales conocidos orbitan justo fuera de esta región inestable. Esto sugiere que probablemente se formaron más lejos y luego migraron hacia adentro, ya que una formación más cercana al límite habría sido extremadamente difícil.
“Los planetas se forman de abajo hacia arriba, uniendo planetas más pequeños. Pero formar un planeta en el borde de la zona de inestabilidad sería como tratar de unir copos de nieve en un huracán”, dijo.
El papel de Einstein en la limpieza de los planetas.
Tuma había sospechado durante mucho tiempo que la relatividad general podría afectar el comportamiento de los planetas en sistemas binarios, aunque no estaba claro qué tan fuerte podría ser el efecto. A medida que las estrellas binarias giran lentamente en el tiempo, los efectos relativistas se vuelven más importantes.
Utilizando cálculos matemáticos detallados y simulaciones por computadora, los investigadores han demostrado que estos impactos pueden remodelar drásticamente los sistemas planetarios. Sus resultados indican que ocho de cada 10 planetas alrededor de estrellas binarias estrechas serán inestables y la mayoría de ellos eventualmente serán destruidos.
La física detrás de la precesión orbital
Propuesta por Albert Einstein en 1915, la relatividad general describe la gravitación como la curvatura del espacio-tiempo por la masa, de modo que un objeto pesado distorsiona una superficie estirada. Una primera confirmación de esto proviene de la órbita de Mercurio, que cambia ligeramente más de lo que las leyes de Newton por sí solas pueden explicar.
Un proceso similar ocurre en las estrellas binarias. Estos sistemas a menudo comienzan con estrellas muy distantes, pero las interacciones con el gas circundante las acercan gradualmente a lo largo de millones de años. Durante miles de millones de años, las fuerzas de marea han ido reduciendo sus órbitas.
Su velocidad orbital cambia más rápidamente a medida que se acercan a la estrella, incluida la posición de su máximo acercamiento, conocida como periastrón. Mientras tanto, un planeta que orbita ambas estrellas también experimenta precesión, aunque en este caso es impulsada por fuerzas gravitacionales clásicas.
A medida que el binario se solidifica, el movimiento del planeta se ralentiza mientras que el movimiento de la estrella se acelera. Cuando las dos velocidades coinciden, se produce resonancia y la órbita del planeta se expande gradualmente.
Una vez que el punto más cercano de la órbita entra en la zona de inestabilidad, el planeta se inclina hacia afuera o es arrastrado hacia adentro y destruido. Este proceso se desarrolla relativamente rápido en escalas de tiempo cósmicas, lo que ayuda a explicar por qué rara vez se observan planetas alrededor de sistemas binarios estrechos.
“Un planeta atrapado en resonancia encuentra su órbita distorsionada a excentricidades cada vez más altas, moviéndose cada vez más rápido mientras se mantiene al ritmo de la órbita del binario, que se está reduciendo”, dijo Toma. “Y en el camino, encuentra esa región de inestabilidad alrededor de las binarias, donde los efectos de tres cuerpos entran en acción y limpian gravitacionalmente la región”.
“La forma en que se crean estos binarios ajustados, estos binarios de menos de siete días, puede deshacerse del planeta de forma natural, sin perturbaciones adicionales de estrellas cercanas u otros procesos”, dijo Farhat.
Una influencia cada vez mayor en todo el universo
Según Tuma, estos mismos procesos pueden eliminar múltiples planetas de los sistemas binarios, especialmente aquellos que de otro modo serían detectados por misiones como Kepler o TESS.
El equipo ahora está ampliando sus modelos para explorar cómo la relatividad afecta a los cúmulos de estrellas alrededor de pares de agujeros negros supermasivos. También están investigando si un proceso similar podría ayudar a explicar la falta de planetas alrededor de púlsares binarios, pares de estrellas de neutrones que giran rápidamente y que emiten pulsos de radio regulares.
Los descubrimientos resaltan cómo la teoría de Einstein continúa dando forma a nuestra comprensión del universo, incluso en sistemas que alguna vez fueron mejor explicados por la física clásica.
“Sorprendentemente, casi un siglo después de los cálculos de Einstein, las simulaciones por computadora mostraron cómo los efectos relativistas podrían salvar a Mercurio de la expansión caótica del Sistema Solar. Aquí vemos los efectos asociados con la alteración de los sistemas planetarios”, dijo Toma. “La relatividad general estabiliza los sistemas de alguna manera y los perturba de otra manera”.
Farhat cuenta con el apoyo del Instituto Miller de Investigación Básica en Ciencias de UC Berkeley.
