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Artículo publicado por Kim Fesenmaier el 20 de enero de 2016 en Caltech News

Investigadores de Caltech han encontrado pruebas de un planeta gigante que sigue una extraña y alargada órbita en el Sistema Solar exterior. El objeto, al que los investigadores llaman Planeta Nueve, tiene una masa de aproximadamente 10 veces la de la Tierra, y orbita unas 20 veces más lejos del Sol, en promedio, de lo que lo hace Neptuno. De hecho, este nuevo planeta necesitaría entre 10 000 y 20 000 años para completar una órbita total alrededor del Sol.

Concepción artística del Planeta Nueve

Concepción artística del Planeta Nueve Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)


Los investigadores, Konstantin Batygin y Mike Brown, descubrieron la existencia del planeta a través de un modelo matemático y simulaciones por computador, pero no han observado directamente el planeta.

“Éste podría ser un noveno planeta real”, señala Brown, Catedrático Richard y Barbara Rosenberg de Astronomía Planetaria. “Sólo se han descubierto dos verdaderos planetas desde la antigüedad, y éste podría ser el tercero. Es un trozo significativo de nuestro Sistema Solar que aún está ahí fuera esperando a ser descubierto, lo cual es apasionante”.

Brown señala que el supuesto noveno planeta — de 5000 veces la masa de Plutón — es lo bastante grande como para que no debiera debatirse acerca de si es o no un verdadero planeta. Al contrario que la clase de objetos menores actualmente conocida como planetas enanos, el Planeta Nueve domina gravitatoriamente su vecindario en el Sistema Solar. De hecho, domina una región mayor que ningún otro planeta conocido — un hecho que Brown indica que hace de él “el más planeta entre los planetas de todo el Sistema Solar”.

Batygin y Brown describen su trabajo en el último ejemplar de la revista Astronomical Journal y demuestran cómo el Planeta Nueve ayuda a explicar una variedad de misteriosas características del campo de los objetos helados y restos más allá de Neptuno, conocido como el Cinturón de Kuiper.

“Aunque inicialmente éramos bastante escépticos sobre la existencia de este planeta, conforme investigamos la órbita y lo que significaría para el Sistema Solar exterior, se hizo cada vez más patente que estaba ahí fuera”, señala Batygin, profesor adjunto de ciencias planetarias. “Por primera vez en 150 años, hay pruebas sólidas de que el censo de planetas del Sistema Solar está incompleto”.

El camino para el descubrimiento teórico no fue sencillo. En 2014, un antiguo posdoctorado de Brown, Chad Trujillo, y su colega Scott Sheppard publicaron un artículo apuntando que 13 de los objetos más lejanos del Cinturón de Kuiper son similares respecto a una oscura característica orbital. Para explicar dicha similitud, sugirieron la posible presencia de un pequeño planeta. Brown pensó que el planeta era una solución improbable, pero se interesó por el tema.

Acudió con el problema a Batygin, y ambos empezaron lo que sería un año y medio de colaboración para investigar los lejanos objetos. Como observador y teórico, respectivamente, ambos investigadores enfocaron el trabajo desde perspectivas muy distintas — Brown como alguien que mira al cielo y trata de encajar todo en el contexto de lo que ve, y Batygin como alguien que se pone dentro del contexto de la dinámica, considerando cómo podrían ser las cosas desde un punto de vista físico. Estas diferencias permitieron a los investigadores desafiar las ideas del otro y considerar nuevas posibilidades. “Yo traía algunos aspectos observacionales; él llegaba con argumentos teóricos, y los debatíamos juntos. No creo que el descubrimiento hubiese tenido lugar sin ese tira y afloja”, señala Brown. “Ha sido, quizá, el año de trabajo más divertido que jamás haya tenido en un estudio sobre el Sistema Solar”.

Batygin y Brown apreciaron rápidamente que seis de los objetos más lejanos del grupo original de Trujillo y Sheppard seguían órbitas elípticas que apuntan en la misma dirección en el espacio físico. Esto es particularmente sorprendente debido a que los puntos más exteriores de las órbitas se mueven alrededor del Sistema Solar, y viajan a velocidades distintas.

“Es casi como tener seis manecillas en un reloj moviéndose a velocidades distintas, y cuando alzas la vista están todas exactamente en la misma posición”, dice Brown. Las posibilidades de que esto suceda son algo como 1 entre 100, explica. Pero por encima de todo, las órbitas de los seis objetos están inclinadas de la misma forma — apuntando a unos 30 grados hacia abajo en la misma dirección relativa al plano de los ocho planetas conocidos. La probabilidad de que suceda esto es de un 0,007 por ciento. “Básicamente, no debería suceder de forma aleatoria”, apunta Brown. “Por lo que pensamos que algo más debe estar dando forma a estas órbitas”.

La primera posibilidad que investigaron fue que, tal vez, hay suficientes objetos lejanos en el Cinturón de Kuiper — algunos aún no descubiertos — como para ejercer la gravedad necesaria para mantener la subpoblación unida. Los investigadores descartaron rápidamente esta opción cuando resultó que tal escenario requeriría que el Cinturón de Kuiper tuviese 100 veces la masa actual.

Órbitas del Planeta Nueve y Objetos del Cinturón de Kuiper

Órbitas del Planeta Nueve y Objetos del Cinturón de Kuiper Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Esto les dejó con la idea de un planeta. Su primer instinto fue ejecutar una simulación que implicaba a un paneta en una órbita lejana que rodeaba las órbitas de los seis objetos del Cinturón de Kuiper, actuando como un lazo gigante que los obligaba a alinearse. Batygin dice que casi llegó a funcionar, pero no proporcionaba con precisión las excentricidades observadas. “Casi, pero no exacto”, comenta.

Luego, y por accidente, Batygin y Brown apreciaron que si ejecutaban las simulaciones con un planeta masivo en una órbita antialineada — una órbita en la cual el mayor acercamiento del planeta al Sol, o perihelio, está a 180 grados del perihelio de todo el resto de objetos y planetas conocidos — los objetos del Cinturón de Kuiper de la simulación asumían la alineación observada en la realidad.

“La respuesta natural es: ‘Esta geometría orbital no puede ser correcta. Esto no puede ser estable a largo plazo debido a que, después de todo, provocaría que estos objetos se uniesen y, finalmente, colisionaran'”, señala Batygin. Pero a través de un mecanismo conocido como resonancia de movimiento medio, la órbita antialineada del noveno planeta evitaría que los objetos del Cinturón de Kuiper colisionaran, y los mantiene alineados. Cuando los objetos en órbita se aproximan entre sí, intercambian energía. Por tanto, por ejemplo, por cada cuatro órbitas del Planeta Nueve, un objeto del Cinturón de Kuiper podría completar nueve órbitas. Nunca colisionan. En lugar de esto, como un padre que mantiene a sus hijos a una distancia de seguridad con empujones periódicos, el Planeta Nueve empuja las órbitas de los lejanos objetos del Cinturón de Kuiper de tal forma que su configuración en relación al planeta se mantiene.

“Aun así era muy escéptico”, señala Batygin. “No había visto nunca nada igual en la mecánica celeste”.

Pero poco a poco, conforme los investigadores analizaban características adicionales y consecuencias del modelo, empezaron a persuadirse. “Una buena teoría no debería sólo explicar las cosas que buscas que explique, debería explicar cosas que no esperabas y hacer predicciones comprobables”, apunta Batygin.

Y, efectivamente, la existencia del Planeta Nueve ayuda a explicar algo más que la alineación de los objetos lejanos del Cinturón de Kuiper. También proporciona una explicación para las misteriosas órbitas que siguen dos de ellos. El primero de los objetos, conocido como Sedna, fue descubierto por Brown en 2003. Al contrario que la variedad estándar de objetos del Cinturón de Kuiper, que fueron “pateados” gravitatoriamente por Neptuno, Sedna nunca estuvo cerca de Neptuno. Un segundo objeto similar a Sedna, conocido como 2012 VP113, fue presentado en 2014 por Trujillo y Sheppard. Batygin y Brown encontraron que la presencia del Planeta Nueve en su órbita propuesta producía de forma natural objetos similares a Sedna tomando un objeto estándar del Cinturón de Kuiper y tirando lentamente de él hasta una órbita menos conectada con Neptuno.

Pero el espaldarazo definitivo para los investigadores fue el hecho de que sus simulaciones predecían también que habría objetos en el Cinturón de Kuiper en órbitas inclinadas perpendicularmente respecto al plano de los planetas. Batygin encontró pruebas de esto en sus simulaciones y se las llevó a Brown. “De pronto me di cuenta de que hay objetos como estos”, recuerda Brown. En los últimos tres años, los observadores han identificado cuatro objetos que siguen órbitas, aproximadamente, a lo largo de una línea perpendicular desde Neptuno y de un objeto a lo largo de otro. “Dibujamos las posiciones de estos objetos y sus órbitas, y encajaban exactamente con las simulaciones”, comenta Brown. “Cuando encontramos esto, mi mandíbula se cayó al suelo”.

“Cuando la simulación alineó los objetos lejanos del Cinturón de Kuiper y creó objetos como Sedna, pensamos que era asombroso — matamos dos pájaros de un tiro”, señala Batygin. “Pero cuando la existencia del planeta también explicó estas órbitas perpendiculares, no sólo matamos dos pájaros de un tiro, sino también un pájaro que estaba en un árbol cercano y que no habíamos percibido”.

¿De dónde vino el Planeta Nueve y cómo terminó en el Sistema Solar Exterior? Los científicos han pensado desde hace tiempo que el joven Sistema Solar comenzó con cuatro núcleos planetarios que reunieron todo el gas a su alrededor, formando los cuatro planetas de gas —Júpiter, Saturno, Urano, y Neptuno. Con el tiempo, las colisiones y eyecciones les dieron forma y los movieron a sus posiciones actuales. “Pero no hay una razón por la que no pudiese haber cinco núcleos en lugar de cuatro”, comenta Brown. El Planeta Nueve podría haber sido eyectado a esta órbita excéntrica y lejana.

Batygin y Brown siguen refinando sus simulaciones y aprender más sobre la órbita del planeta y su influencia en el Sistema Solar exterior. Mientras tanto, Brown y otros colegas han iniciado la búsqueda en los cielos del Planeta Nueve. Sólo se conoce una órbita aproximada del planeta, no la posición precisa del mismo en una ruta elíptica. Si resulta que el planeta está cerca de su perihelio, explica Brown, los astrónomos deberían poder observarlo en las imágenes captadas por anteriores estudios. Si está en la parte más lejana de su órbita, serán necesarios los telescopios más grandes del mundo — como los telescopios gemelos de 10 metros del Observatorio W. M. Keck , y el Telescopio Subaru, todos ellos en Mauna Kea en Hawái —para verlo. Sin embargo, si el Planeta Nueve se halla en algún punto intermedio, muchos telescopios pueden tener una posibilidad de observarlo.

“Me encantaría encontrarlo”, comenta Brown. “Pero también estaría igualmente feliz si lo encontrase otra persona. Por esto es por lo que publicamos el artículo. Esperamos que otra gente se vea inspirada para iniciar la búsqueda”.

En términos de comprender más sobre el contexto del Sistema Solar en el resto del universo, Batygin dice que en hay un par de aspectos en los que este noveno planeta, que nos parece tan extraño, en realidad haría que nuestro Sistema Solar fuese más similar a otros sistemas planetarios que los astrónomos han descubierto alrededor de otras estrellas. Primero, la mayor parte de los planetas alrededor de estrellas como el Sol no tienen un único rango orbital — es decir, algunos orbitan extremadamente cerca de sus estrellas madre, mientras que otros siguen órbitas excepcionalmente lejanas. Segundo, los planetas más comunes alrededor de otras estrellas varían entre las 1 y las 10 masas terrestres.

“Uno de los descubrimientos más destacados sobre otros sistemas planetarios ha sido que el tipo de planeta más común tiene una masa entre la de la Tierra y Neptuno”, apunta Batygin. “Hasta ahora, habíamos pensado que el Sistema Solar carecía de este tipo de planeta. Puede que seamos más normales de lo que pensábamos, después de todo”.

Brown, famoso por el papel desempeñado en degradar a Plutón de planeta a planeta enano, añade: “Todos aquellos que se volvieron locos porque Plutón ya no fuese un planeta pueden estar entusiasmados por tener un verdadero planeta ahí fuera esperando a ser hallado”, comenta. “Ahora podemos ir a buscar este planeta y hacer que el Sistema Solar tenga de nuevo nueve planetas”.

El artículo sobre la investigación se titula “Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System“.

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