Durante un descanso en la búsqueda de planetas alrededor de otras estrellas, el Satélite para la Caracterización de Exoplanetas (Cheops) de la ESA ha observado un planeta enano en nuestro propio Sistema Solar y ha hecho una contribución decisiva al descubrimiento de un denso anillo de material a su alrededor.

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El planeta enano es conocido como Quaoar. La presencia de un anillo a una distancia de casi siete veces y media el radio de Quaoar, abre un misterio para que los astrónomos lo resuelvan: ¿por qué este material no se ha fusionado en una pequeña luna?

El anillo fue descubierto a través de una serie de observaciones que tuvieron lugar entre 2018 y 2021. Usando una colección de telescopios terrestres y el observatorio espacial Cheops, los astrónomos observaron cómo Quaoar cruzaba frente a una sucesión de estrellas distantes, bloqueando brevemente su luz a medida que pasaba.

Tal evento se conoce como una ocultación. Observar cómo cae la luz de la estrella oculta proporciona información sobre el tamaño y la forma del objeto oculto, y puede revelar si el objeto intermedio tiene una atmósfera o no. En este caso, una caída de luz más pequeña antes y después de la ocultación principal revelaron la presencia de material en órbita alrededor de Quaoar.

Quaoar es uno de una colección de mundos pequeños y distantes conocidos como objetos transneptunianos (TNO). Se conocen aproximadamente 3000. Como su nombre indica, los TNO se encuentran en los confines del Sistema Solar, más allá de la órbita del planeta Neptuno. Los TNO más grandes son Plutón y Eris. Con un radio estimado de 555 km, Quaoar ocupa el número siete en la lista de tamaños, y está orbitado por una pequeña luna llamada Weywot, de aproximadamente 80 km de radio.

El estudio de estos planetas enanos es difícil debido a sus pequeños tamaños y distancias extremas. Quaoar orbita alrededor del Sol a casi 44 veces la distancia Sol-Tierra. Por lo tanto, las ocultaciones son herramientas particularmente valiosas. Hasta hace poco, sin embargo, ha sido difícil predecir exactamente cuándo y dónde tendrán lugar.

Para que ocurra una ocultación, la alineación entre el objeto oculto (aquí el TNO), la estrella y el telescopio de observación debe ser extremadamente precisa. En el pasado, ha sido casi imposible cumplir con los estrictos requisitos de precisión para estar seguro de ver un evento. Sin embargo, para perseguir este objetivo, el proyecto Lucky Star del Consejo Europeo de Investigación, coordinado por Bruno Sicardy, la Universidad de la Sorbona y el Observatorio de París – PSL (LESIA), fue creado para predecir las próximas ocultaciones de los TNO y coordinar la observación de estos eventos desde observatorios profesionales y aficionados de todo el mundo.

Alineación Precisa

Recientemente, el número de ocultaciones estelares observadas ha aumentado. En gran parte, esto se debe a la contribución de los datos de la misión de mapeo estelar Gaia de la ESA. La nave espacial ha entregado una precisión tan impresionante en sus posiciones estelares que las predicciones hechas por el equipo de Lucky Star se han vuelto mucho más ciertas.

Una de las personas involucradas en el proyecto Lucky Star es Isabella Pagano del Observatorio Astrofísico del INAF de Catania, Italia, y miembro de la Junta de Cheops. Isabella fue contactada por Kate Isaak, científica del proyecto de la ESA para la misión Cheops, quien tenía curiosidad por saber si el telescopio espacial también podría captar una ocultación.

«Estaba un poco escéptica sobre la posibilidad de hacer esto con CHEOPS», admite Isabella, «pero investigamos la viabilidad».

El problema principal era que la trayectoria del satélite puede modificarse ligeramente debido al arrastre en las partes superiores de la atmósfera de la Tierra. Esto se debe a la actividad solar impredecible que puede golpear nuestro planeta e inflar su atmósfera.

El Satélite para la Caracterización de Exoplanetas (Cheops) de la ESA ha observado un planeta enano en nuestro propio Sistema Solar y ha hecho una contribución decisiva al descubrimiento de un denso anillo de material a su alrededor. Credit: ESA / ATG medialab

De hecho, la primera vez que el equipo intentó observar una ocultación con Keops, que involucraba a Plutón, la predicción no era lo suficientemente precisa, y no se pudo observar ninguna ocultación.

La alineación fue más favorable en el segundo intento, cuando observaron a Quaoar. Al hacerlo, hicieron la primera detección de una ocultación estelar por un objeto transneptuniano desde el espacio.

«Los datos de Cheops son increíbles para la señal ruido», dice Isabella. La señal ruido es una medida de cuán fuerte es la señal detectada para el ruido aleatorio en el sistema. Cheops da una gran señal al ruido porque el telescopio no está mirando a través de los efectos distorsionadores de la atmósfera inferior de la Tierra.

Esta claridad resultó decisiva para reconocer el sistema de anillos de Quaoar porque permitió a los investigadores eliminar la posibilidad de que el descenso de luz fuera causado por un falso efecto en la atmósfera de la Tierra. Al combinar varias detecciones secundarias, tomadas con telescopios en la Tierra, fue posible estar seguros de que fueron causadas por un sistema de anillos que rodea a Quaoar.

Bruno Morgado, de la Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil, dirigió el análisis. Combinó los datos de Cheops con los de grandes observatorios profesionales de todo el mundo y científicos ciudadanos aficionados, todos los cuales habían observado a Quaoar ocultar varias estrellas en los últimos años. «Cuando juntamos todo, vimos caídas en el brillo que no fueron causadas por Quaoar, pero que apuntaban a la presencia de material en una órbita circular a su alrededor. En el momento en que vimos eso dijimos: ‘Está bien, estamos viendo un anillo alrededor de Quaoar'».

Cuando se trata de sistemas de anillos, el planeta gigante Saturno tiene la corona. Conocido como el planeta anillado, Saturno cuenta con una colección de polvo y pequeñas lunas que rodean el ecuador del planeta. A pesar de ser una vista observacional impresionante, la masa del sistema de anillos es bastante pequeña. Si se recogiera, produciría entre un tercio y la mitad de la masa de la luna Mimas de Saturno, o aproximadamente la mitad de la masa de la plataforma de hielo antártica de la Tierra.

El anillo de Quaoar es mucho más pequeño que el de Saturno, pero no menos intrigante. No es el único sistema de anillos conocido que existe alrededor de un planeta enano o menor. Otros dos, alrededor de Chariklo y Haumea, han sido detectados a través de observaciones terrestres. Sin embargo, lo que hace que el anillo de Quaoar sea único es dónde se encuentra en relación con el propio Quaoar.

El Límite de Roche

Cualquier objeto celeste con un campo gravitacional apreciable tendrá un límite dentro del cual un objeto celeste que se aproxime será hecho pedazos. Esto se conoce como el Límite de Roche. Se espera que existan sistemas de anillos densos dentro del límite de Roche, que es el caso de Saturno, Chariklo y Haumea.

«Entonces, lo que es tan intrigante acerca de este descubrimiento alrededor de Quaoar es que el anillo de material está mucho más lejos que el Límite de Roche», dice Giovanni Bruno, Observatorio Astrofísico de INAF de Catania, Italia.

Esto es un misterio porque, según el pensamiento convencional, los anillos más allá del Límite de Roche se unirán en una pequeña luna dentro de unas pocas décadas. «Como resultado de nuestras observaciones, la noción clásica de que los anillos densos sobreviven solo dentro del Límite de Roche de un cuerpo planetario debe revisarse a fondo», dice Giovanni.

Los primeros resultados sugieren que las temperaturas gélidas en Quaoar pueden desempeñar un papel en la prevención de que las partículas heladas se peguen entre sí, pero se necesitan más investigaciones.

«Las observaciones de Cheops han jugado un papel clave en el establecimiento de la presencia de un anillo alrededor de Quaoar, en una aplicación de fotometría de alta precisión y alta cadencia que va más allá de la ciencia de exoplanetas más típica de la misión», dice Kate.

Mientras los teóricos se ponen a trabajar en cómo los anillos Quaoar pueden sobrevivir, el proyecto Lucky Star continuará observando a Quaoar y también a otros TNO mientras ocultan estrellas distantes para medir sus características físicas y ver cuántos otros también tienen sistemas de anillos.