Investigadores del Observatorio Astronómico de Córdoba detectan huellas químicas de formación planetaria en una estrella binaria

Novedades on 16 Dec , 2021

Se trata de un patrón químico peculiar hallado en un sistema binario de estrellas obtenidos a partir de observaciones de alta calidad realizadas con el telescopio de 8 metros de Gemini-Norte. El descubrimiento fue realizado por un equipo internacional de investigadores, liderado por astrónomos y astrónomas del Observatorio Astronómico de Córdoba

Los sistemas binarios estelares están compuestos por dos estrellas que se orbitan mutuamente alrededor de un centro de masas común. Debido a que las componentes de un sistema binario se forman, probablemente, al mismo tiempo y de la misma nube de gas molecular,  se espera que ambas estrellas tengan la misma composición química inicial. Es decir que no debería existir diferencia en la abundancia química de ambas estrellas.

 

La observación de sistemas binarios en los cuales las dos estrellas pueden resolverse como separadas en el cielo, lo que se denomina binarias visuales, permite a los astrónomos obtener espectros para cada una de ellas y así derivar la composición química de cada componente con muy alta precisión. En particular, aquellas binarias donde al menos en una de las componentes se ha detectado un planeta se convierten en laboratorios ideales para investigar las huellas químicas que la formación y evolución del planeta podría dejar marcadas en el espectro de su estrella huésped.  Sin embargo, la detección de estas huellas químicas es compleja y requiere observaciones con instrumentos de alto desempeño en telescopios de gran tamaño. Hasta el momento, sólo se han analizado en detalle menos de 12 sistemas binarios con planetas y únicamente en 5 de ellos se han detectado anomalías químicas que podrían ser marcas químicas dejadas por la formación de planetas. 

 

Con el objetivo de ampliar el número de sistemas binarios estudiados, un equipo internacional de astrónomos, analizó, por primera vez, la composición química detallada del sistema binario visual WASP-160. Para ello, los científicos, liderados por el investigador del CONICET en el Observatorio Astronómico de Córdoba (OAC), Emiliano Jofré, obtuvieron observaciones de alta calidad con el espectrógrafo de alta resolución GRACES y el telescopio de 8 metros de Gemini Norte ubicado en Mauna Kea (Hawaii, Estados Unidos).

 

El sistema binario, que se encuentra a unos 965 años luz de nuestro Sol, está conformado por las estrellas WASP-160A (componente primaria) y WASP-160B (componente secundaria), que además se encuentran separadas entre sí por 8000 unidades astronómicas  (una unidad astronómica -1 au- es igual a 150 millones de kilómetros y equivale aproximadamente a la distancia media entre la Tierra y el Sol). En WASP-160A no se han detectado planetas hasta el momento, mientras que WASP-160B alberga un planeta gigante gaseoso con la masa de Saturno. Este planeta tiene, además, la característica de ser “transitante”, es decir que su órbita está alineada de forma tal que, cada 3.28 días, cuando pasa entre la tierra y la estrella bloquea parte de la luz estelar produciendo un eclipse. 

 

A partir de mediciones de muy alta precisión, los investigadores encontraron que la diferencia química entre las componentes de la binaria visual WASP-160 no sólo no es nula, como se esperaría, sino que muestra un patrón bastante particular. En un estudio publicado días atrás en la prestigiosa revista Astronomical Journal, el equipo reportó que la estrella WASP-160B muestra, en relación a su compañera WASP-160A, un déficit de elementos volátiles (elementos químicos con baja temperatura de condensación tal como el carbono, oxígeno, nitrógeno) y un exceso de refractarios (elementos con alta temperatura de condensación tal como el hierro, manganeso y titanio entre muchos otros). “Este tipo de patrón químico que muestra simultáneamente escasez de volátiles y sobreabundancia de refractarios es muy peculiar y, hasta ahora, bastante inusual ya que hasta el momento sólo había sido detectado en una única binaria con planetas”, señala Jofré.  

 

Los escenarios propuestos por los investigadores para explicar las diferencias químicas están relacionados directamente con la formación y evolución planetaria en las estrellas del sistema binario. Por un lado, el déficit de volátiles en WASP-160B podría haberse originado cuando, durante su formación, el planeta gigante de tipo Saturno atrapó en su atmósfera gaseosa una gran cantidad de volátiles que de otra forma hubieran formado parte de su estrella huésped. Por su parte, WASP-160A presentaría un mayor contenido de volátiles al no haber formado este tipo de planetas a su alrededor capaces de capturar esta clase de elementos.  

 

Por otro lado, para explicar el exceso de elementos refractarios que WASP-160B presenta en comparación con su compañera WASP-160A, los investigadores proponen dos hipótesis. “De acuerdo a nuestros modelos, WASP-160B podría haber tragado o acretado sobre su atmósfera cuerpos rocosos ricos en refractarios como asteroides o planetas en una cantidad equivalente a 6 veces la masa de la Tierra. Otra posibilidad es que alrededor de WASP-160A se hayan formado cuerpos rocosos (asteroides, planetas pequeños) en los que quedaron atrapados un gran contenido de refractarios y por eso la estrella huésped parece presentar un déficit de estos elementos respecto a su compañera estelar”, explica Jofré. 

 

Imagen del campo estelar en el que se encuentra la binaria visual WASP-160 A/B (Imagen: Digitized Sky Survey -CDS)

Si bien los investigadores descartaron la presencia de planetas transitantes terrestres con períodos más cortos que 7 días alrededor de WASP-160A que pudieran confirmar las diferencias en refractarios, los datos de la misión espacial TESS (por sus siglas en inglés Transiting Exoplanet Survey Satellite) no son concluyentes para planetas con períodos más largos que 20 días.

 “El monitoreo, con instrumentos fotométricos y espectroscópicos de alta precisión, de WASP-160A y WASP-160B nos puede ayudar a entender el origen real del patrón químico anómalo que detectamos en este sistema binario”, señala Romina Petrucci, investigadora de CONICET en el OAC y coautora de la investigación. 

 

El grupo de investigadores del Observatorio Astronómico que formó parte de este estudio coincide en la importancia que tiene el Observatorio Gemini para la comunidad astronómica Argentina. «No podríamos haber llevado a cabo este proyecto, y por lo tanto este descubrimiento, sin el acceso al instrumental del Observatorio Gemini, ya que no contamos con este tipo de facilidades astronómicas en el país», comenta Mercedes Gómez, coautora de la publicación y Directora del Observatorio Astronómico de Córdoba.

 

“Este tipo de estudios, como el que llevamos a cabo para WASP-160, es importante no sólo porque aporta información clave para los modelos de formación y evolución de los sistemas planetarios, sino porque también podría proporcionar nuevas estrategias para la búsqueda de planetas terrestres a partir del análisis químico detallado de las estrellas huéspedes», concluye Jofré. 

Patrón químico obtenido para la binaria WASP-160: abundancias químicas de la componente WASP-160B, relativas a WASP-160A, en función de la temperatura de condensación de los elementos (Tc). La línea negra a trazos corresponde a una composición idéntica de las dos estrellas. Las líneas punteadas azules y rojas representan los valores promedio de las abundancias de elementos volátiles (Tc < 900 K) y refractarios (Tc > 900 K), respectivamente. Crédito de la imagen: E. Jofré.

El equipo de investigación:

Emiliano Jofré (CONICET / Observatorio Astronómico – Universidad Nacional de Córdoba; Argentina),

Romina Petrucci (CONICET / Observatorio Astronómico – Universidad Nacional de Córdoba; Argentina), 

Parte del equipo de trabajo del OAC (de izquierda a derecha): Emiliano Jofré, Mercedes Gómez y Romina Petrucci. Foto: gentileza investigador.

Yilen Gómez Maqueo Chew (Instituto de Astronomía – Universidad Nacional Autónoma de México; México),

Ivan Ramírez (Tacoma Community College, Tacoma, Estados Unidos), 

Carlos Saffe (CONICET-ICATE / Universidad Nacional de San Juan, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, San Juan, Argentina ), 

Eder Martioli (Institut d’Astrophysique de Paris, Francia)

Andrea Buccino (CONICET-IAFE / Universidad de Buenos Aires, Argentina), 

Martin Mašek (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, República Checa),

Luciano García (Observatorio Astronómico – Universidad Nacional de Córdoba; Argentina), 

Eliab Canul  (Instituto de Astronomía – Universidad Nacional Autónoma de México; México), 

Mercedes Gómez (CONICET / Observatorio Astronómico – Universidad Nacional de Córdoba; Argentina)

Imagen 1

Ilustración artística de la formación de cuerpos rocosos formándose alrededor de la componente primaria del sistema binario, WASP-160A, que podría explicar su déficit de elementos refractarios. La componente secundaria del sistema, WASP-160B, que alberga el planeta tipo Saturno, se observa en el fondo (crédito de la imágen: NASA/JPL-Caltech).