Dos son una multitud para planetas circumbinarios

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Todas las estrellas son bolas gigantescas de gas hirviente, abrasadoras, en su mayoría gas hidrógeno. Mientras estamos acostumbrados a ver nuestra propia Estrella, el Sol, colgando por encima de nosotros como una luz brillante en nuestro cielo diurno, muchas estrellas tienen compañía. De hecho, las investigaciones realizadas durante los últimos doscientos años indican que al menos el 50 por ciento de las estrellas visibles son miembros de múltiples sistemas estelares. Un binario es un tipo particular de sistema estelar múltiple compuesto por un dúo estelar en órbita alrededor de su centro de gravedad común (baricentro) , que a menudo aparece ante el ojo humano sin ayuda como un único punto de luz, y su verdadero verdadero múltiplo debe ser reflejado por otros medios. Sin embargo, en abril de 2020, un equipo de astrónomos anunció que su nueva investigación muestra que algunos binarios estelares brillantes tienen un lado oscuro. Lamentablemente, los planetas en órbita alrededor de binarios de corto período, que son dos estrellas que están estrechamente ligadas en una estrecha danza gravitacional, pueden ser lanzados al espacio como resultado de la evolución de sus estrellas progenitoras.

El nuevo estudio ayuda a explicar por qué los astrónomos han descubierto pocos planetas circulares, que son mundos extraños en órbita alrededor de estrellas que, a su vez, orbitan entre sí, aunque han observado miles literales de estrellas binarias a corto plazo . Los binarios a corto plazo son aquellos con períodos orbitales de 10 días o menos.

Estos hallazgos también significan que tales sistemas estelares binarios son un lugar pobre para enviar futuros telescopios terrestres y espaciales para buscar planetas habitables y vida más allá de la Tierra.

Hay varios tipos diferentes de sistemas estelares binarios, como binarios visuales y espectroscópicos, que han sido nombrados de acuerdo con los métodos que utilizan los astrónomos para observarlos. En un artículo que se publicará en The Astrophysical Journal , el autor principal David Fleming, un estudiante de medicina de la Universidad de Washington en Seattle, presentó los hallazgos en la Conferencia de la División de Astronomía Dinámica de la Sociedad Astronómica Estadounidense realizada del 15 al 19 de abril de 2020 en San Jose california Fleming estudia binarios eclipsantes que son aquellos en los que el plano orbital está tan cerca de la línea de visión que se ve que las dos estrellas que componen el dúo danzante flotan una frente a la otra.

Doble doble trabajo y problemas

Los miles de millones y miles de millones de estrellas que pueblan el Universo visible están compuestos principalmente de hidrógeno, que es tanto el elemento atómico más abundante como el más ligero. Las estrellas transforman su combustible de hidrógeno, en lo profundo de sus corazones hirvientes de fusión nuclear , en elementos atómicos cada vez más pesados ​​y pesados. Los únicos elementos que se formaron en el Big Bang, el nacimiento del Universo hace casi 14 mil millones de años, fueron el hidrógeno, el helio y las pequeñas cantidades de litio. Todos los elementos atómicos más pesados ​​que el helio se fabricaron en los núcleos de fusión nuclear de las estrellas: sus interiores calientes, enrejados y hirvientes fusionan progresivamente los núcleos de los átomos más ligeros en cosas más pesadas. Sin embargo, los elementos atómicos más pesados ​​de todos, como el oro y el uranio, se forman como resultado de una explosión de supernova. Una supernova anuncia la muerte explosiva de una estrella masiva.

Las estrellas nacen en las profundidades ondulantes, arremolinadas y muy frías de bellas y oscuras nubes moleculares gigantes . Estas densas nubes flotan como fantasmas a través de nuestra Vía Láctea en gran número, y probablemente también acechan a otras galaxias. Aunque estas nubes oscuras y frías están compuestas principalmente de gas y polvo, también albergan grandes poblaciones de estrellas. El material dentro de las nubes flotantes, como fantasmas, se agrupa en una variedad de tamaños. Los grupos más pequeños se extienden aproximadamente un año luz a través. Los grupos densos se colapsan para crear protoestrellas . Todo el proceso de nacimiento de estrellas dura aproximadamente 10 millones de años.

Dentro de los núcleos secretos de estas bellas y fascinantes nubes, pequeñas burbujas de gas continúan colapsando, creando lo que los astrónomos llaman embriones estelares. El primer grupo de estrellas nace escondido dentro de estos embriones , y se sostienen a sí mismos alimentándose del gas ambiental, y por lo tanto crecen en masa. En última instancia, las estrellas crecen lo suficientemente masivas como para ser influenciadas por la atracción gravitatoria de las estrellas en crecimiento cercanas. Las estrellas juveniles luego comienzan a bailar juntas en un fascinante ballet gravitatorio, tirando una de la otra. Esta danza hace que ocurran cambios dentro de la nube natal. Algunas de las estrellas bebés bailando se harán piruetas, y esto creará grupos limitados de dos, tres o incluso cuatro (o más) estrellas. Por desgracia, algunas otras estrellas serán expulsadas del baile por completo, y serán expulsadas de la nube. Este tirón de guerra turbulento y caótico entre jóvenes estrellas danzantes los dispersa a través de su nube natal.

El término estrella doble se usa frecuentemente como sinónimo de estrella binaria. Sin embargo, el término doble estrella también explica a una doble estrella óptica . Los dobles ópticos recibieron su nombre porque el dúo de estrellas aparece lo suficientemente cerca en el cielo como se ve desde la Tierra para estar casi en la misma línea de visión.

Los sistemas estelares binarios son herramientas valiosas para el uso de los astrofísicos. Esto se debe a que los cálculos de sus órbitas permiten que las masas de sus estrellas componentes se determinen directamente. A partir de esto, los astrofísicos pueden determinar indirectamente otros parámetros estelares, como el radio y la densidad. Además, esto también ayuda a los astrónomos a descubrir una relación empírica masa-luminosidad (MLR) a partir de la cual se pueden calcular las masas de estrellas individuales.

Si las dos estrellas que componen un sistema binario están lo suficientemente cerca, pueden distorsionar gravitacionalmente sus atmósferas estelares externas compartidas. En ciertos casos, estos sistemas binarios cercanos pueden intercambiar masa. Este intercambio de masa puede hacer que experimenten etapas en su evolución que las estrellas solitarias, sin compañía estelar, no pueden lograr.

Desde la invención del telescopio, los astrónomos han descubierto muchos dúos estelares danzantes en busca de los cielos. Algunos de los primeros ejemplos incluyen Mizar y Acrux. Mizar es un ciudadano de la Osa Mayor (la Osa Mayor) , y fue descubierto por el astrónomo italiano Giovanni Battista Riccioli (1598-1671) en 1650. Sin embargo, Mizar puede haber sido descubierto incluso antes por el matemático italiano Benedetto Castelli (1578- 1645) y Galileo Galilei (1564-1642), el gran polímero italiano. La brillante estrella del sur Acrux , un componente de la Cruz del Sur , fue descubierta como una estrella doble por el matemático y astrónomo francés Padre Jean de Fontenay (1643-1710) en 1685.

El científico inglés John Michell (1724-1793) fue el primero en sugerir que las estrellas dobles podrían estar físicamente unidas entre sí, y que probablemente no resultaron solo de una alineación al azar. El astrónomo inglés de origen alemán William Herschel (1738-1822) comenzó a examinar el cielo en busca de estrellas dobles en 1770, y poco después publicó catálogos con cerca de 700 estrellas dobles. En 1803, Herschel comenzó a observar alteraciones en las posiciones relativas en muchas estrellas dobles durante un período de 25 años, y llegó a la conclusión de que debían ser sistemas binarios. Sin embargo, la primera órbita de una estrella binaria no se observó hasta 1827, cuando el astrónomo francés Felix Savary (1797-1841) calculó la órbita de Xi Ursa Majoris. Desde entonces, muchas más estrellas dobles han sido catalogadas y medidas. De hecho, el catálogo de estrellas dobles de Washington contiene más de 100,000 dúos de estrellas dobles, incluyendo dobles ópticas y estrellas binarias. El Washington Double Star Catalog es una base de datos de estrellas dobles visuales compilada por el Observatorio Naval de los Estados Unidos en Washington DC. Sin embargo, las órbitas se conocen actualmente solo por unos pocos miles de estos dúos estelares, y la mayoría aún no se ha determinado que sean estrellas dobles ópticas o binarias verdaderas . Esto puede lograrse por los astrónomos observando el movimiento relativo de las dos estrellas. Si el movimiento es parte de una órbita, o si las dos estrellas tienen velocidades radiales similares y la diferencia en sus motores apropiados es pequeña en comparación con su movimiento apropiado común, entonces el dúo es razonablemente físico. Uno de los trabajos que quedan para los observadores visuales de estrellas dobles es adquirir suficientes datos de observación para probar o refutar una conexión gravitatoria entre las dos estrellas.

The Doomed Planets Of Dancing Stellar Duos

David Fleming y sus coautores consideraron lo que sucedería cuando los binarios eclipsantes se orbitaran entre sí en un ballet gravitacional cercano, aproximadamente 10 días o menos. Los astrónomos se preguntaron si las mareas, las fuerzas gravitacionales que cada estrella ejerce sobre la otra, tendrían «consecuencias dinámicas» para el sistema estelar.

«Eso es realmente lo que encontramos», utilizando simulaciones de supercomputadoras, señaló Fleming en el comunicado de prensa de la Universidad de Washington del 12 de abril de 2020 . «Las fuerzas de las mareas transportan el momento angular de las rotaciones estelares a las órbitas. Ralentizan las rotaciones estelares, expandiendo el período orbital», agregó.

La transferencia del momento angular no solo hace que las órbitas del dúo se amplíen, sino que también las hace circularizar. La transferencia de momento angular en realidad resulta en un cambio de mar. Las órbitas que originalmente eran excéntricas y en forma de fútbol evolucionan en círculos perfectos. Durante un período de tiempo muy largo, los giros de las dos estrellas danzantes también se sincronizan, como la Luna está con la Tierra, con cada estrella mostrando siempre la misma cara a la otra, mientras que la otra cara está siempre rechazada.

La órbita estelar en expansión «envuelve a los planetas que originalmente eran seguros, y luego ya no son seguros, y son expulsados ​​del sistema», explicó el Dr. Rory Barnes en el comunicado de prensa de la Universidad de Washington del 12 de abril de 2020 . El Dr. Barnes es profesor asistente de astronomía de la Universidad de Washington y coautor del artículo de investigación. Además, la expulsión de un planeta de esta manera puede empujar el sistema lo suficiente como para perturbar las órbitas de otros planetas en órbita en una especie de efecto en cascada, expulsándolos extremadamente fuera del sistema y lanzándolos al espacio entre las estrellas.

La «vida» de un planeta circunferencial es obviamente una difícil. Hacer que la situación sea aún peor para estos mundos alienígenas desafortunados es una «región de inestabilidad» que surge de la competitividad de los tirones gravitacionales de las dos estrellas.

«Hay una región que no se puede cruzar. Si vas allí, te expulsan del sistema. Lo hemos confirmado en simulaciones y muchos otros también han estudiado la región», continuó explicando Fleming en abril. 12, 2020 Comunicado de prensa de la Universidad de Washington.

Esto es lo que los astrónomos denominan límite de estabilidad dinámica . Viaja hacia el exterior a medida que la órbita estelar crece más y más, y eventualmente envuelve a los desafortunados planetas, lo que hace que sus órbitas se vuelvan inestables. Esta cadena de eventos los envía absolutamente fuera del sistema.

Fleming continuó explicando que otro carácter intrigante de este tipo de sistema binario es que los planetas circulares tienen una tendencia a orbitar justo fuera de este límite de estabilidad; de hecho, se «acumulan» allí. Pero no se comprende bien cómo estos planetas trágicos logran llegar a esta región: pueden migrar hacia adentro desde más lejos en el sistema o simplemente pueden haber nacido allí.

Los astrónomos aplicaron su nuevo modelo a los sistemas estelares binarios de período corto conocidos . De hecho, Fleming y sus coautores descubrieron que esta evolución estelar de las estrellas binarias eyecta al menos un planeta en el 87 por ciento de los sistemas circulares multiplaneta , y con frecuencia incluso más. Sin embargo, según el Dr. Barnes, incluso este número alto es probablemente una estimación conservadora, y el número verdadero puede ser tan alto como 99 por ciento.

El equipo de científicos llama al proceso la Expulsión de Planetas de Evolución de las Mareas Estelares (STEEP). Los descubrimientos futuros – «o no detección» – de planetas circulativos en órbita alrededor de estrellas anfitrionas binarias de período corto , escriben los autores, «proporcionarán la mejor prueba de observación indirecta del proceso STEEP .

Kepler 47 actualmente tenía el título de la estrella binaria de período más corto para la cual se ha detectado un planeta circunferencial . Este planeta circular tiene un período de solo unos 7,45 días. Los coautores del estudio proponen que los estudios futuros en busca de mundos posiblemente habitables alrededor de estrellas binarias de período corto deberían centrarse en aquellas con períodos que duran más de aproximadamente 7,5 días.

Los co-autores de Fleming y Barnes son el profesor de astronomía de la Universidad de Washington, Dr. Here Quinn, el Dr. Rodrigo Luger, investigador postdoctoral, y el estudiante de pregrado David E. Graham. Este estudio utilizó la infraestructura de almacenamiento y redes provista por el sistema de supercomputadoras Hyak ubicado en la Universidad de Washington, financiado por la Tarifa de Tecnología Estudiantil de la Universidad de Washington .

La investigación fue financiada por el Instituto de Astrobiología de la NASA a través del Laboratorio Virtual Planetario con sede en la Universidad de Washington . Fleming cuenta con el apoyo del Fondo de la NASA Space Science Fellowship Program.

Fleming señaló en el Comunicado de Prensa de la Universidad de Washington del 12 de abril de 2020 , que con respecto a la búsqueda de mundos habitables más allá del nuestro, los planetas que orbitan estrellas binarias eclipsantes a corto plazo pueden ser objetivos atractivos para un estudio más detenido debido a su ángulo de ángulo que muestra eclipses

Sin embargo, Fleming advirtió que «este mecanismo tiende a matarlos. Entonces, no es un buen lugar para mirar».

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