Zoo planetario

Poco después de descubrirse el primer exoplaneta allá por 1995, quedó claro que los planetas extrasolares no tenían que obedecer a pies juntillas los modelos elaborados para explicar nuestro Sistema Solar. En concreto, con más de 250 planetas detectados, ya sabemos que algunos de ellos pertenecen a tipos que hasta ahora sólo habían sido imaginados por autores de ciencia-ficción. Ahora un equipo del MIT ha realizado un estudio para la NASA con el fin de modelar distintos tipos de planetas sólidos relacionando la masa, el tamaño y la composición. El hecho de que el tamaño de un planeta aumente al incrementarse su masa parece algo obvio, pero no lo es tanto saber en qué proporción. Por ejemplo en el caso de los planetas gigantes, la relación no es lineal (una enana marrón de baja masa no es mucho mayor que Júpiter). Lo que tampoco es nada obvio es saber cómo varía esta relación dependiendo de la composición del planeta. En este estudio, el equipo del MIT ha partido de planetas compuestos por sustancias puras (para simplificar los cálculos) y ha comprobado en las simulaciones numéricas cómo cambia el tamaño del planeta al aumentar su masa. Los resultados pueden parecer evidentes: a mayor densidad de la sustancia principal, menor tamaño planetario, pero pese a todo, lo interesante es ver la diferencia de escalas según la composición. En concreto, las simulaciones demuestran que siempre se produce un aumento de tamaño en un planeta sólido al aumentar su masa independientemente de la composición de éste. Un resultado nada obvio pese a lo que pudiera parecer a primera vista.

¿Y para qué sirve todo esto? Pues a parte de enriquecer nuestro conocimiento teórico de los exoplanetas, este estudio (y otros similares) permitirá discernir la composición de aquellos planetas detectados por el método del tránsito. Pese a todo, hay que recordar que la mayoría de planetas reales no están compuestos solamente por una sustancia, así que trasladar estos datos a la hora de interpretar la realidad supondrá cierto esfuerzo. De todas formas, el estudio concluye que se podrá discernir la estructura y composición interna de planetas, siempre que se conozca su masa y radio con un error no superior al 2% (algo muy complicado de obtener).

Más info: el paper Mass-Radius Relationships for Solid Exoplanets.

Abstract:
We use new interior models of cold planets to investigate the mass-radius relationships of solid exoplanets, considering planets made primarily of iron, silicates, water, and carbon compounds. We find that the mass-radius relationships for cold terrestrial-mass planets of all compositions we considered follow a
generic functional form that is not a simple power law: log10 Rs = k1 +1/3 log10(Ms)−k2Mk3 s for up to Mp ≈ 20M⊕, where Ms and Rs are scaled mass and radius values. This functional form arises because the common building blocks of solid planets all have equations of state that are well approximated by a modified polytrope of the form ρ = ρ0 + cPn.
We find that highly detailed planet interior models, including temperature structure and phase changes, are not necessary to derive solid exoplanet bulk composition from mass and radius measurements. For solid exoplanets with no substantial atmosphere we have also found that: with 5% fractional uncertainty
in planet mass and radius it is possible to distinguish among planets composed predominantly of iron or silicates or water ice but not more detailed compositions; with ∼ 5% uncertainty water ice planets with & 25% water by mass may be identified; the minimum plausible planet size for a given mass is that of
a pure iron planet; and carbon planet mass-radius relationships overlap with those of silicate and water planets due to similar zero-pressure densities and equations of state. We propose a definition of “super Earths” based on the clear distinction in radii between planets with significant gas envelopes and those without.

Zoo planetario.




Relación entre la masa y el diámetro según la composición.




Un gráfico más detallado mostrando la correlación entre los modelos dependientes de la composición y los exoplanetas ya detectados (la mayoría gigantes gaseosos) y los planetas de nuestro Sistema Solar. Se puede comprobar que en nuestro sistema no existen planetas sólidos metálicos (aunque Mercurio se aproxima).