Un equipo de investigación liderado por astrónomos de la Universidad de Tokio y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) ha descubierto que las órbitas inclinadas pueden ser típicas en lugar de raras en los sistemas exoplanetarios – aquellos fuera de nuestro Sistema Solar. Sus medidas de los ángulos entre los ejes de rotación de la estrella y el de órbita del planeta de los exoplanetas HAT-P-11b y XO-4b demuestran que las órbitas de estos exoplanetas están muy inclinadas. Esta es la primera vez que los científicos miden el ángulo de un planeta pequeño como HAT-P-11 b. Los nuevos hallazgos proporcionan importantes indicadores indirectos para poner a prueba los distintos modelos teóricos de cómo han evolucionado las órbitas de los sistemas planetarios.

Desde el descubrimiento del primer exoplaneta en 1995, los científicos han identificado más de 500 exoplanetas, planetas fuera de nuestro Sistema Solar, casi todos planetas gigantes. La mayor parte de estos planetas gigantes se espera que orbiten cerca de sus estrellas madre, al contrario que los planetas gigantes de nuestro sistema, como Júpiter, que orbita al Sol desde lejos. Las teorías aceptadas proponen que estos planetas gigantes se formaron originalmente a partir de materiales de formación planetaria alejados de la estrella, y luego migraron hacia sus actuales posiciones. Se han propuesto distintos procesos de migración hasta el momento para explicar los exoplanetas gigantes cercanos.

Los modelos de migración de interacción del disco planetario se centran en las interacciones entre los planetas y su disco protoplanetario, el disco a partir del cual se formaron originalmente. A veces, estas interacciones entre el disco protoplanetario y el planeta en formación dan como resultado fuerzas que hacen que el planeta caiga hacia su estrella central. Este modelo predice que el eje de giro de la estrella y el eje orbital del planeta estarán alineados entre sí.

Los modelos de migración de interacción entre planetas se han centrando en las dispersiones mutuas entre planetas gigantes. La migración puede tener lugar a partir de la dispersión, cuando se dispersan varios planetas durante la creación de dos o más planetas gigantes dentro del disco protoplanetario. Aunque algunos de los planetas son dispersados del sistema, los más internos pueden establecerse en una órbita final muy cercana a la estrella central. Otro escenario de interacción entre planetas, la migración Kozai, propone que las interacciones gravitatorias a largo plazo entre un planeta gigante interno y otro objeto celeste como una estrella compañera o un planeta gigante externo puede con el tiempo alterar las órbitas de los planetas, moviendo un planeta interior más cerca de su estrella. Las interacciones de migración entre planetas, incluyendo la dispersión entre planetas y la migración Kozai, podrían producir una órbita inclinada entre los ejes de la estrella y el planeta.

En general, la inclinación de los ejes orbitales de los planetas cercanos en relación con el eje de giro de la estrella, surge como una importante base observacional para apoyar o refutar los modelos de migración sobre los que se centran las teorías de evolución orbital. Un grupo de investigación liderado por astrónomos de la Universidad de Tokio y NAOJ unieron observaciones con el Telescopio Subaru para investigar estas inclinaciones para dos sistemas que se sabe que tienen planetas: HAT-P-11 y XO-4. El grupo midió el efecto Rossiter-McLaughlin (en adelante, RM) de los sistemas y encontró pruebas de que sus ejes orbitales se inclinan en relación a los ejes de giro de sus estrellas madre.

El efecto RM se refiere a las irregularidades aparentes en la velocidad radial, o velocidad de un objeto celeste en la línea de visión del observador durante un tránsito planetario. Al contrario que las líneas espectrales, que son normalmente simétricas en las medidas de velocidad radial, aquellas con efecto RM se desvían en un patrón asimétrico (ver Figura 1). Tal variación aparente de la velocidad radial durante un tránsito, revela el ángulo proyectado en el cielo entre el eje de giro estelar y el eje de órbita planetaria. El Telescopio Subaru ha participado en anteriores descubrimientos del efecto RM, el cual han investigado los científicos para aproximadamente 35 sistemas exoplanetarios hasta el momento.

En enero de 2010, un equipo de investigación liderado por los astrónomos del actual equipo de la Universidad de Tokio y NAOJ usaron el Telescopio Subaru para observar el sistema planetario XO-4, el cual está a 960 años luz de distancia de la Tierra en la región de Lynx. El planeta del sistema tiene aproximadamente 1,3 veces la masa de Júpiter y una órbita circular de 4,13 días. Su detección del efecto RM mostró que el eje orbital del planeta XO-4 b está inclinado respecto al eje de giro de la estrella madre. Sólo el Telescopio Subaru ha medido el efecto RM para este sistema, por el momento.

En mayo y julio de 2010, el actual equipo de investigación llevó a cabo observaciones localizadas del sistema planetario HAT-P-11, el cual se encuentra a 130 años luz de la Tierra en la constelación de Cygnus. El planeta del tamaño de Neptuno, HAT-P-11 b, orbita a su estrella madre en una órbita no circular (excéntrica) de 4,89 días y está entre los exoplanetas más pequeños descubiertos. Hasta esta investigación, los científicos sólo habían detectado el efecto RM para planetas gigantes. La detección del efecto RM para planetas de menor tamaño es difícil, debido a que la señal del efecto RM es proporcional al tamaño del planeta; cuanto menor es el planeta en tránsito, más débil es la señal.

El equipo aprovechó el enorme poder de recolección de luz del Telescopio Subaru, de 8,2 metros, así como la precisión de su Espectrógrago de Alta Dispersión. Sus observaciones no sólo dieron como resultado la primera detección del efecto RM para un exoplaneta menor del tamaño de Neptuno, sino también proporcionaron pruebas de que el eje orbital del planeta se inclina hacia el eje de giro estelar aproximadamente 103 grados en el cielo. Un grupo de investigación de los Estados Unidos usó en Telescopio Keck para realizar observaciones independientes del efecto RM del mismo sistema en mayo y agosto de 2010; sus resultados fueron similares a los de la Universidad de Tokio/NAOJ en mayo y julio de 2010.

Las observaciones de los actuales equipos del efecto RM para los sistemas planetarios HAT-P-11 y XO-4 han demostrado que tienen órbitas planetarias muy inclinadas en relación a los ejes de giro de sus estrellas. Los últimos resultados observacionales sobre estos sistemas, incluyendo los obtenidos independientemente de los hallazgos de los que se informa aquí, sugieren que las órbitas planetarias muy inclinadas pueden ser comunes en el universo. El escenario de migración entre planetas, ya esté provocado por la dispersión entre planetas o la migración Kozai, más que un escenario de disco planetario, podría tener en cuente la migración hacia las posiciones actuales.

Sin embargo, las medidas del efecto RM para sistemas individuales no pueden discriminar decisivamente entre los escenarios de migración. El análisis estadístico puede ayudar a los científicos a determinar qué proceso de migración, si es que hay alguno, es el responsable de las órbitas tan inclinadas de los planetas gigantes. Dado que distintos modelos de migración predicen distintas distribuciones de ángulo entre el eje estelar y planetario, desarrollar una gran muestra del efecto RM permitirá a los científicos apoyar el proceso de migración más plausible. La inclusión de las medidas del efecto RM para planetas tan pequeños como HAT-P-11 b en dicha muestra desempeñará un papel importante en los escenarios de migración planetaria.

Muchos grupos de investigación están planeando hacer observaciones del efecto RM con telescopios repartidos por todo el mundo. El actual equipo del Telescopio Subaru desempeñará un papel principal en las próximas investigaciones. Observaciones continuas de sistemas exoplanetarios en tránsito contribuirán a comprender la historia de formación y migración de los sistemas planetarios en el futuro cercano.