Combinando la química de las estrellas y la formación de planetas

Una concepción artística de una estrella joven rodeada de planetas y anillos de polvo que se forman cuando los planetas rocosos recién formados chocan entre sí. Un nuevo estudio, presentado en la 238a conferencia de la Sociedad Astronómica Estadounidense, describe un nuevo método para cuantificar la relación entre la composición química de una estrella y la formación de planetas que podría ayudar a los científicos a identificar estrellas individuales que tienen más probabilidades de tener planetas. Fuente: NASA / JPL-Caltech

Los científicos del Departamento de Física y Astronomía de Penn han desarrollado un nuevo método para comprender mejor la relación entre la composición química de una estrella y la formación de planetas. El estudio fue realizado por el recién graduado Jacob Nibauer para su tesis con Bhuvnesh Jain, y fue co-supervisado por el ex postdoctorado de Penn Eric Baxter. Los científicos han descubierto que la mayoría de las estrellas en su conjunto de datos son similares en composición al Sol, lo cual es algo diferente del trabajo anterior y sugiere que muchas estrellas en la Vía Láctea pueden tener sus propios planetas similares a la Tierra. Estos resultados fueron presentados en la 238a conferencia de la American Astronomical Society y también publicados en Diario astrofísico.

La técnica más común para encontrar exoplanetas que existen fuera del sistema solar involucra el método de tránsito, donde el exoplaneta viaja entre su estrella y el observador y hace que la estrella disminuya su brillo. Aunque la mayoría de los exoplanetas conocidos se han descubierto utilizando este método, este enfoque es limitado porque los exoplanetas solo pueden detectarse cuando su órbita y su observador están perfectamente alineados y tienen períodos orbitales suficientemente cortos. La segunda técnica más poderosa, la velocidad radial o el método Doppler, tiene otras limitaciones para encontrar planetas.

Esto plantea la pregunta: si no se pueden detectar planetas alrededor de la estrella, ¿se puede inferir su existencia estudiando la estrella madre? Los científicos han descubierto que la respuesta a esta pregunta está «sujeta a reserva», y los nuevos métodos están ayudando a los astrónomos a comprender mejor cómo se relaciona la formación de exoplanetas con la composición de la estrella alrededor de la que orbitan.

«La idea es que los planetas y las estrellas nacen de la misma nube natal, por lo que puedes imaginar un escenario en el que un planeta rocoso se combine con suficiente material para dejar la superficie tardía de la estrella sin estos elementos», dice Nibauer. “El objetivo es responder a la pregunta de si las estrellas que contienen planetas se ven diferentes de las estrellas sin planetas, y una forma de hacerlo es buscar firmas de formación de planetas en la composición de la superficie de la estrella. la más pequeña de sus capas externas se puede deducir de su espectro, la distribución de la intensidad de la luz a diferentes frecuencias ”.

Para hacer esto, los científicos utilizaron datos del Experimento de Evolución Galáctica del Observatorio Apache Point (APOGEE-2), que se centró en 1.500 estrellas de la Vía Láctea con datos de composición química de cinco elementos diferentes. La nueva contribución de Nibauer fue el uso de estadísticas bayesianas para medir la abundancia de cinco elementos formadores de rocas o «refractarios» y poblaciones de estrellas objetivamente separadas en función de su composición química.

Proyección de los datos de APOGEE, con puntos naranjas que indican las estrellas utilizadas en este análisis (arriba) y las proporciones de abundancia de un subconjunto de elementos químicos con respecto al hierro en una población de estrellas similares al Sol (abajo). Fuente: Jacob Nibauer

El método Nibauer permite a los científicos observar estrellas con una relación señal / ruido baja o donde el fondo de medición puede ser mayor que la propia señal de la estrella. «Esta estructura, en lugar de centrarse en el principio estrella por estrella, combina mediciones en toda la población, lo que nos permite caracterizar la distribución de abundancia química global», dice Nibauer. «Por esta razón, podemos dar cuenta de poblaciones de estrellas mucho más grandes en comparación con estudios anteriores».

Los investigadores encontraron que su conjunto de datos separaba cuidadosamente las estrellas en dos poblaciones. Las estrellas agotadas, que constituyen la mayor parte de la muestra, carecen de elementos refractarios en comparación con una población no agotada. Esto puede indicar que el material refractario que falta en una población empobrecida está encerrado en los planetas rocosos. Estos resultados son consistentes con otros estudios de estrellas más pequeños y enfocados que utilizan mediciones más precisas de la composición química. Sin embargo, la interpretación de estos resultados difiere de estudios previos en que el sol parece pertenecer a la población que constituye la mayoría de la muestra.

«La investigación anterior se centró en el sol, por lo que las estrellas son como el sol o no, pero Jake desarrolló una metodología para agrupar estrellas similares sin referencia al sol», dice Jain. «Por primera vez, un método que permite que los datos hablen encontró dos poblaciones, y luego pudimos poner el sol en uno de esos grupos, que resultó ser un grupo agotado».

El estudio también ofrece un camino prometedor para identificar estrellas individuales que pueden tener más probabilidades de tener planetas propios, dice Nibauer. «El objetivo a largo plazo es identificar grandes poblaciones de exoplanetas, y cualquier técnica que pueda imponer una restricción probabilística sobre si una estrella puede albergar un planeta sin tener que depender del método de tránsito habitual es muy valiosa», dice. .

Y si el agotamiento de las estrellas de la Vía Láctea es la norma, podría significar que la mayoría de estas estrellas pueden orbitar planetas similares a la Tierra, lo que abre la posibilidad de que las estrellas a las que les falten elementos más pesados ​​simplemente las confinen a exoplanetas rocosos en órbita. aunque también se están investigando otras posibles conexiones con exoplanetas. «Sería emocionante si esto pudiera confirmarse mediante análisis futuros de conjuntos de datos más grandes», dice Jain.

Proporcionado por la Universidad de Pensilvania

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