Mundos acuáticos podrían ser tan abundantes como los terrestres

Tras analizar más de 40 planetas extrasolares, dos astrofísicos españoles han comprobado que existe una abundante población de exoplanetas constituidos por agua, hasta en un 50 % de su masa, y roca en torno a las estrellas más comunes de nuestra galaxia. En estos mundos el agua se encuentra posiblemente bajo la corteza, no en océanos y ríos en su superficie.

En la búsqueda de vida en nuestra galaxia los planetas con agua líquida figuran entre los candidatos idóneos. Ahora, un pormenorizado análisis del radio y la masa de los 43 exoplanetas pequeños conocidos alrededor de las estrellas enanas tipo M, que representan el 80 % de las de la Vía Láctea y son relativamente más pequeñas que el Sol, revela un sorprendente hallazgo: hay más mundos acuáticos de lo que se pensaba, con aproximadamente la mitad de su masa constituida por agua, aunque no en la superficie.

El estudio, publicado esta semana en Science, lo han liderado íntegramente los investigadores Rafael Luque, de la Universidad de Chicago y el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), y Enric Pallé, del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad de La Laguna (ULL).

“El resultado más importante es que se prueba por primera vez la existencia de estos mundos acuáticos, y ver que son casi tan abundantes como los planetas terrestres«, explica Luque.

Los hallazgos de planetas en torno a enanas M son numerosos, pero se trata de hallazgos indirectos, realizados gracias al estudio de sus efectos sobre sus estrellas: analizando la disminución de brillo que se produce cuando el planeta pasa por delante de su estrella, o bien estudiando el pequeño tirón gravitatorio que el planeta ejerce sobre ella al girar a su alrededor.

“Cada una de las dos formas diferentes de descubrir planetas te aporta una información complementaria. Al captar la disminución de brillo producida cuando un planeta cruza frente a su estrella podemos determinar el diámetro del planeta, y al medir la diminuta atracción gravitacional que un planeta ejerce sobre una estrella podemos calcular su masa”, explica Pallé.

Mitad roca y mitad agua

Combinando el diámetro y la masa puede medirse la composición del planeta, y determinar si se trata, por ejemplo, de un gigante gaseoso como Júpiter o de uno pequeño, denso y rocoso como la Tierra. Al estudiar los 43 planetas en conjunto es cuando emergió una imagen sorprendente: la baja densidad de un gran porcentaje de estos planetas, lo que sugería que son probablemente mitad roca y mitad agua. Eran demasiado ligeros en relación con su tamaño como para estar formados solo por roca.

“Descubrimos que es la densidad del planeta y no el radio, como se pensaba anteriormente, lo que separa los planetas secos de los húmedos”, subraya Luque. De hecho, así han titulado su artículo.

Sin embargo, estos exoplanetas están tan cerca de sus soles que cualquier agua en la superficie existiría en una fase gaseosa supercrítica, lo que ampliaría su tamaño, su radio. Pero eso no es lo que se ve en las muestras, lo que sugiere que el agua no está expuesta.

“Hemos comprobado que esta agua no puede estar en forma de ríos y océanos en su superficie como se pensaba, sino debajo de ella, quizá mezclada con el magma o atrapada en bolsas”, señala Luque, “lo cual es algo realmente novedoso y que puede tener implicaciones en el futuro en la cuestión de la habitabilidad o no de estos planetas”.

El agua estaría probablemente incrustada en la roca o en esas bolsas bajo la superficie, condiciones similares a las de la luna Europa de Júpiter, pero muy diferentes a lo que ocurre en nuestro planeta.

“La Tierra es un planeta seco a pesar de que casi toda el agua está en su superficie, lo que le da una apariencia muy húmeda. El agua de la Tierra es solo un 0,02 % de su masa total, mientras que en los mundos acuáticos es el 50 % de la masa del planeta”, apunta Pallé.

Tres tipos de pequeños planetas en las estrellas M

Con este hallazgo, se confirma por primera vez la existencia de esta nueva tipología de exoplanetas. “Hemos visto que todos estos planetas pequeños se agrupan en tres familias: unos que tienen una composición muy similar a la de la Tierra, otros en los que la mitad de su masa está constituida por agua (mundos acuáticos u oceánicos, water worlds en inglés) y una tercera población de minineptunos o también water words pero con atmósferas muy extensas de hidrógeno-helio”, detalla Pallé.

Este resultado contradice la hipótesis que prevalecía hasta ahora en la cual todos estos pequeños mundos se distribuían solo en planetas con una atmosfera extendida de hidrógeno-helio o sin ella (los secos y rocosos).

Migración de mundos acuáticos hacia el interior

En cambio, el estudio sugiere que, a diferencia de los planetas rocosos, estos otros mundos ricos en agua se formaron fuera de la denominada línea de nieve, es decir, a una distancia en la que la temperatura era lo suficientemente baja como para que los compuestos más ligeros como el agua se solidificaran y se formaran granos de hielo sólidos, migrando posteriormente hacia el interior.

Este escenario refuerza una de las teorías de formación planetaria más aceptadas, que sugiere que los mundos rocosos se forman en las partes internas de sus sistemas solares, mientras que los mundos acuáticos se forman en las regiones más externas y después migran hacia el interior con el tiempo.

“La distribución de tamaños y densidades de exoplanetas es una consecuencia directa de su formación a diferentes distancias de la estrella y no de la presencia o no de una atmósfera”, comenta Pallé.

Un análisis conjunto novedoso

De la misma manera que la observación de la población de toda una ciudad puede revelar tendencias que son difíciles de ver a nivel individual, el estudio de una población de planetas ha ayudado a los científicos a identificar patrones hasta ahora desconocidos.

“Debido a los errores en masa y radio de nuestras medidas, uno de estos planetas (que suelen tener un tamaño entre el de la Tierra y Neptuno), de forma individual, puede a veces encajar en diferentes categorías (terrestre, water worlds, etc.), según el modelo. Es cuando observamos una población de planetas, como hacemos aquí, cuando se pueden resolver los patrones de composición distinta”, explica Luque.

Según los autores, los próximos pasos a dar son entender la estructura interna de los mundos acuáticos, es decir, dónde se almacena el agua, y si estos planetas pueden albergar una pequeña atmósfera de vapor de agua supercrítica detectable.

“Solo los planetas alrededor de estrellas M en la zona habitable son accesibles para la exploración atmosférica por el telescopio espacial James Webb (JWST) y los futuros telescopios extremadamente grandes en tierra”, aclara Pallé.

“También es fundamental entender si nuestro hallazgo se aplica a las poblaciones de pequeños planetas alrededor de otros tipos de estrellas”, destaca Luque, que adelanta: “Las masas precisas de los planetas pequeños alrededor de estrellas más grandes son más difíciles de obtener, pero pronto podrían ser proporcionadas por espectrógrafos de última generación”.

Para este trabajo han sido imprescindibles los nuevos descubrimientos de planetas alrededor de estrellas enanas M realizados por la misión Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, así como las determinaciones de masa realizadas por el espectrógrafo CARMENES, instalado en el telescopio de 3,5 m de Calar Alto, en Almería (España).

Aunque los indicios aportados con ellos resultan convincentes, el siguiente paso consiste en obtener una prueba irrefutable de que estos planetas son sin duda mundos acuáticos, lo que se espera conseguir con telescopios como el James Webb.

Referencia:

R. Luque y E. Pallé. “Density, not radius, separates rocky and water-rich planets orbiting M dwarf stars”. Science, 2022. DOI: 10.1126/science.abl7164
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7164