Los subneptunos (planetas con un radio aproximado de 1,7 a 3,5 radios terrestres) son una de las poblaciones más comunes de exoplanetas. Sin embargo, su composición interna es objeto de debate: algunos podrían ser «gas-dwarfs», con un núcleo rocoso y una envoltura rica en hidrógeno y helio, mientras que otros serían mundos acuáticos, formados más allá de la línea de nieve y posteriormente desplazados hacia órbitas cercanas a su estrella mediante migración planetaria. Distinguir ambos escenarios es difícil, ya que composiciones muy diferentes producen masas y radios similares.
Ahora, el proyecto THIRSTEE, financiado por una ERC Starting Grant, promete revolucionar nuestro conocimiento sobre los subneptunos.
Representación esquemática de la estructura interna y composición de las dos interpretaciones de los subneptunos. Crédito: Rafael Luque y Haiyang Luo (Luo et al. 2024)
Hace cinco años, cuando llegué por primera vez al Instituto de Astrofísica de Andalucía para trabajar como postdoc Severo Ochoa junto a Pedro Amado, la investigación dentro del campo de los exoplanetas más pequeños que Neptuno estaba dominada por una interpretación del “radius gap” o su distribución bimodal de tamaños: supertierras y subneptunos separados en tamaño, pero con un mismo origen. Los primeros, rocosos y más calientes, dada su cercanía a la estrella, no tenían o habían perdido su atmósfera. Los segundos, en general más fríos, con grandes atmósferas de hidrógeno, pero con un núcleo rocoso igual que sus vecinos —algo que en el campo se conoce como “gas dwarfs”—. Esta explicación sencilla, elegante y apoyada en las remesas de descubrimientos de la misión Kepler de la NASA fue asentándose progresivamente hasta ser casi unánime, en detrimento de la primera teoría que había sido planteada en el año 2004 para los descubrimientos iniciales de los planetas con masas entre cinco y diez veces la de la Tierra. Aquellos científicos franceses y su teoría de los mundos acuáticos planteaban, usando los instrumentos de velocidades radiales, una idea distinta: estábamos ante exoplanetas formados como los cometas, compuestos por roca y hielo, en las zonas más lejanas del sistema estelar, y que con el tiempo habían migrado hacia las zonas más internas, lugar en el que se producía su descubrimiento.
Así que, por entonces, si bien la posibilidad de los mundos acuáticos nunca había sido declarada inválida, la falta de nuevos artículos e investigaciones en su favor hizo que la comunidad tendiera a ir dejándola en el olvido. Existía una importante salvedad en forma de limitación tecnológica: los estudios derivados de Kepler no tenían acceso a conocer la densidad de estos planetas, por lo que estaban limitados a realizar sus interpretaciones a través del estudio de los tamaños. Por tanto, todo cambió cuando TESS entró en escena y sus nuevas detecciones planetarias pudieron combinarse con las mediciones de masa aportadas por el instrumento CARMENES desde el Observatorio de Calar Alto.
Distribución demográfica de tamaños de los exoplanetas descubiertos por la misión Kepler. Crédito: Rafael Luque y Fulton et al. (2017)
Con este espectrógrafo, y aun contando con la limitación de centrarse en los planetas rocosos orbitando estrellas enanas rojas —para los que TESS estaba diseñado—, se abrió una ventana de oportunidad para volver a reflexionar sobre la naturaleza de los mundos más pequeños que Neptuno. Fue entonces cuando, desde el IAA y junto a Enric Pallé, mi supervisor de tesis en el Instituto de Astrofísica de Canarias, llevé a cabo el estudio que desembocaría en el paper “Density, not radius, separates rocky and water-rich small planets orbiting M dwarf stars” publicado en Science en el año 2022, pero que se empezó a cocinar en los últimos meses de tesis. Allí donde debería esperarse una diversidad de densidades que confirmara la explicación asentada de los “gas dwarfs”, las mediciones de masa obtenidas con CARMENES conducían en sentido contrario. Aquel resultado contó con una gran recepción entre la comunidad científica y, en último término, permitió confirmar que, como mínimo, la antigua explicación de los mundos acuáticos era la más plausible para aquella observación centrada en un planeta con un tamaño entre el de la Tierra y Neptuno orbitando una enana roja.
Desde entonces, los nuevos descubrimientos han ido acumulándose en la misma dirección para demostrar la existencia de mundos acuáticos en el contexto planteado, pero el interrogante que se centra en los escenarios donde la estrella es de tipo solar ha seguido abierto debido a las limitaciones en instrumentación. No obstante, ahora, gracias a instrumentos como ESPRESSO y MAROON X, en paralelo a las próximas misiones como PLATO de la ESA o Earth 2.0 de la Agencia Espacial China, la investigación permitirá que el estudio de los planetas de tipo subneptuno en torno a estrellas de tipo solar pase a un primer plano. Por descontado, seguiremos necesitando telescopios más grandes y precisos para poder recibir datos verdaderamente fiables de estos sistemas estelares; y también se mantiene la problemática sobre la inferencia de la estructura interna de un planeta concreto, algo que no tenemos la capacidad de realizar.
Un método prometedor para una nueva era
Es en la confluencia planteada por este escenario concreto donde nació el proyecto THIRSTEE (Tracking Hydrates In Refined Sub-neptunes to Tackle their Emergence and Evolution), financiado por una Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC) para el periodo 2025-2030 y que venimos desarrollando en el IAA desde el año pasado. La premisa es la siguiente: frente al callejón sin salida de los análisis individuales que conducen a modelos que pueden predecir soluciones contrarias, se plantea emplear el acceso concedido a los datos de mayor calidad posible para el estudio de atmósferas y densidades de planetas de tipo subneptuno con el objetivo último de realizar un mapa demográfico que podamos comparar con modelos de formación y evolución planetaria. Si, como se plantea habitualmente, el planeta más común en la galaxia es el de tipo subneptuno —que no tenemos en nuestro sistema solar—, ¿podríamos inferir que la teoría de los mundos acuáticos en torno a enanas rojas también funciona para los subneptunos en torno a estrellas de tipo solar? Esa es la cuestión aún no resuelta a la que tratará de responder THIRSTEE.
Para llevar a cabo este proyecto, hemos empezado a usar los mejores telescopios de cara a conseguir una muestra tres veces mayor a lo que hasta ahora se ha podido conseguir y, gracias al trabajo completo, interno y sincronizado del grupo de investigación, podremos realizar un análisis homogéneo, con las mismas técnicas, mismas herramientas y mismas pautas de trabajo para el análisis de datos. Como se ha demostrado de forma recurrente en la ciencia, y específicamente en el campo de la astronomía, esta metodología conduce a conclusiones, en uno u otro sentido, más claras y robustas.
Logo del proyecto THIRSTEE. El proyecto está dividido en tres grupos de trabajo que cubren diferentes aspectos observacionales y teóricos del estudio de subneptunos: atmósferas, densidades y análisis demográficos. Crédito: Rafael Luque
El proyecto se divide en tres grupos de trabajo:
1. Estudio y caracterización de la atmósfera de subneptunos
2. Medida de las densidades de estos planetas usando el método de la velocidad radial
3. Análisis estadístico de poblaciones
En el primer campo trabajan Nicholas Scarsdale y Yue Yu, investigador postdoctoral y estudiante de doctorado, respectivamente, empleando datos del telescopio espacial James Webb. Desde el ciclo 3 (2023) he participado y estoy participando —en rol de líder o como parte del equipo— en todos los programas aprobados que estudian subneptunos, por lo que tenemos acceso a la mejor y mayor muestra posible. En cualquier caso, dado que la competición para obtener tiempo es altísima, estrechamos el cerco yéndonos a los sistemas más óptimos y brillantes. Sobre los candidatos disponibles seleccionados, ellos se encargan de reducir y analizar las observaciones, caracterizar la atmósfera y estudiar la abundancia química de la misma para inferir la estructura interna del planeta, tarea que llevamos a cabo en función de diferentes ejes: según un rango de temperatura y edades muy amplio que, llegada la fase del estudio poblacional, permitirá encontrar diferencias en el modelo.
El segundo grupo de trabajo lo componen Pedro Figueira y Pierrot Lamontagne, siguiendo la misma estructura de roles. También cuenta con la gran fortaleza del acceso a un número altísimo de horas de observación, obtenidas en tiempo abierto de competición y en colaboración principalmente con investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias y de la Universidad de California en Santa Cruz, en telescopios de ambos hemisferios que cuentan con instrumentos de velocidad radial. Gracias a ello, triplicaremos la muestra de mediciones de masa de planetas de tipo subneptuno existente, que hasta ahora es muy escasa, y lo haremos en objetivos que puedan ser observados con el JWST, por lo que se conseguirá una gran sinergia entre ambos equipos para llevar a cabo mediciones de radio, masa y atmósfera.
El tercer campo de trabajo, centrado en el análisis estadístico de poblaciones, será el último en ponerse en funcionamiento. No obstante, ya estamos empezando a desarrollar el marco matemático y estadístico para llevar a cabo los análisis, pues estamos ante un reto nuevo no abordado hasta ahora: combinar dentro del mismo análisis el estudio de planetas caracterizados con técnicas diferentes. Se habían llevado a cabo estudios estadísticos tanto para planetas descubiertos con tránsito como para aquellos descubiertos con la técnica de velocidades radiales, pero aquí la clave es aunar tránsito, velocidad radial y atmósfera, teniendo en cuenta los sesgos de cada técnica de cara a poder corregirlos. Por tanto, se requiere de esa fase previa de desarrollo matemático, prueba y depuración que, finalmente, permitirá recibir y analizar las mediciones recabadas.
El equipo investigador de THIRSTEE. Crédito: Fernando Alcalá-Zamora Ruiz
Inicio alentador con vistas al futuro
Aunque se trata de un proyecto con una duración de cinco años, los primeros datos que estamos obteniendo del telescopio James Webb son muy prometedores, por lo que ya están en preparación dos artículos sobre caracterización atmosférica de subneptunos que orbitan estrellas como el Sol, aunque más jóvenes. Contamos con una precisión bastante alta de las medidas de su composición química, pues parece que no hemos detectado la presencia de nubes y, además, las estrellas elegidas no tienen una actividad magnética alta, dos de los factores que imposibilitan este tipo de estudios.
En lo relativo al equipo de velocidades radiales, hemos conseguido el programa más grande para cualquier telescopio de la ESO este año, de 300 horas de duración, por lo que desde mayo se está empezando a tomar datos a muy bien ritmo y la calidad es lo suficientemente buena para hacer algo no conseguido hasta la fecha: llegar a la precisión necesaria para saber si los mundos acuáticos más pequeños existen o no, sin vernos obligados a hacer inferencias negativas por un sesgo en la limitación instrumental.
Hasta ahora solo podíamos detectar supertierras, pero ese escenario no podía descartar que los mundos acuáticos estuviesen ahí, a la espera de poder llegar a medir su masa y detectarlos. Por tanto, podremos estar en disposición de empezar a despejar las dudas sobre su existencia y sobre lo comunes que pueden ser.
Aparte, también ha sido aprobado otro large program en el JWST, liderado desde aquí, que contará con una gran colaboración internacional entre los mayores expertos del mundo en subneptunos, que cubre más de treinta investigadores de doce países diferentes. Empezaremos a recabar los datos el año que viene y estudiaremos la atmósfera de este tipo de exoplanetas ubicados en sistemas en cadenas de resonancia, pero ya están en desarrollo artículos de preparación con modelos teóricos y nuevos formalismos para el estudio tanto del interior como de la atmósfera de estos subneptunos.
El sistema GJ 357, en el que se ven los planetas b y c a lo lejos y d en primer plano. Crédito: CSI/ Jack Madden
En definitiva, el campo está en total ebullición y la producción científica esperada es tan alta como prometedora. Es cierto que, cuando hablamos de mundos acuáticos, en el horizonte siempre aparece la expectativa y la pregunta sobre los biomarcadores. Debemos ser conscientes de que a nivel tecnológico la mera búsqueda de agua en planetas de tipo terrestre orbitando estrellas como el Sol no será posible hasta las décadas de 2040 o 2050. Pero, para subneptunos, los primeros resultados anunciados sobre la detección de moléculas de interés, como la muy sonada noticia de un hallazgo en el mundo acuático K2-18b publicada por investigadores de la Universidad de Cambridge en Reino Unido, han sido prematuros y poco robustos, como pude demostrar el año pasado en el artículo “Insufficient evidence for DMS and DMDS in the atmosphere of K2-18 b. From a joint analysis of JWST NIRISS, NIRSpec, and MIRI observations”, publicado en la revista Astronomy & Astrophysics.
La cuestión capital es que, en el campo de la investigación en exoplanetas, estamos alcanzando el momento perfecto para que el estudio de los mundos acuáticos pueda arrojar resultados como nunca antes. Podremos fijar los objetivos más prometedores a los que dirigir nuestras miradas, tendremos las herramientas para realizar las observaciones —James Webb, ESPRESSO, PLATO, Earth 2.0— y obtendremos un banco de datos lo suficientemente amplio como para poder inferir de forma indirecta si los posibles desequilibrios químicos que hallemos en estos mundos pueden responderse desde la hipótesis de la vida.
Por tanto, del mismo modo que avanzan los esfuerzos en las lunas de Júpiter y Saturno, o en el propio Marte, existe una hoja de ruta definida para los mundos acuáticos, lo que, desde una mirada amplia, se traduce en una expansión de las oportunidades en la búsqueda de vida más allá de los confines del sistema solar. Ese es el ámbito en el que las investigaciones de THIRSTEE pretenden ser útiles. ¿Son los subneptunos mundos acuáticos? De ser así, ¿en qué proporción? Y, en ese caso, ¿qué tan común es este tipo concreto de planeta? Si conseguimos despejar de manera solvente estos interrogantes, este proyecto cumpliría con solvencia sus objetivos y, aún más importante, permitiría pasar el testigo al emocionante campo de la astrobiología. Esa es la motivación última de nuestro proyecto de investigación en el IAA: ser un eslabón útil en esta prometedora carrera de relevos abierta en la astrofísica del siglo XXI.
Ilustración que muestra una interpretación del planeta subneptuno GJ 357 d. Crédito: NASA´s Goddard Space Flight Center / Chris Smith