El estudio de los sistemas planetarios, su origen, qué tan comunes son y su evolución son preguntas abiertas en astronomía, y tienen implicaciones importantes en otros campos de la ciencia e incluso en la filosofía. Aún no es claro si nuestro sistema solar es único o un producto típico de la formación de las estrellas. Para expandir nuestro entendimiento de los sistemas planetarios, proponemos una estrategia dual con: (1) el estudio de la formación de planetas por medio de observaciones milimétricas de discos protoplanetarios, y (2) el estudio de los productos de los procesos de formación y evolución de sistemas planetarios a través de la caracterización de planetas extrasolares y sus estrellas (NIR y óptico).
La formación de sistemas planetarios parece ser una consecuencia de la formación de estrellas. En etapas muy tempranas, las (proto-)estrellas están rodeadas por discos de gas y polvo. El gas alimenta la estrella central que crece en masa hasta su masa final. El polvo crece desde tamaños de micras hasta formar rocas de varios kilómetros que darán lugar a planetas. Hace décadas que la comunidad mexicana ha desempeñado un rol fundamental en el estudio tanto teórico como observacional de discos protoplanetarios (Poveda 1965; Mendoza 1968). Grupos de investigación mexicanos fueron pioneros en el estudio de la formación de los discos (Lizano & Shu 1989) y la evolución del polvo (D'Alessio et al. 1998, 1999, 2001, 2006). Las primeras observaciones de discos fueron realizadas por radioastrónomos mexicanos usando el Very Large Array (VLA) (Rodríguez et al. 1992, 1994, 1998; ver también Rodríguez 2002 para una revisión). En la actualidad, nuestra comunidad continúa liderando estudios tanto teóricos como observacionales en este campo (e.g., Carrasco-González et al. 2012, 2016, 2019; Sierra et al. 2019, 2020; Lizano et al. 2016). La aparición de nuevos interferómetros, el Expanded VLA (eVLA) y el Atacama Large Millimeter Array (ALMA), permiten observar discos con una calidad sin precedentes, y han propiciado una revolución en el campo. En estos momentos somos capaces de estudiar el polvo en discos protoplanetarios a escalas de sólo unas pocas unidades astronómicas (e.g. Andrews et al. 2018) y observar la zona donde se formarán los planetas rocosos (Carrasco-González et al. 2016), detectar las huellas de los primeros planetas (e.g., Bae et al. 2017) y sus efectos en la formación de nuevos planetas (e.g., Carrasco-González et al. 2019).
Una vez que el disco es dispersado, entre las restricciones más estrictas para los modelos de formación, están las poblaciones de exoplanetas que han sido descubiertos gracias a observaciones dedicadas. Es el caso del primer exoplaneta descubierto alrededor de una estrella de secuencia principal (51 Pegasi b; Mayor & Queloz 1995). A la fecha, se conocen más de 3000 sistemas planetarios orbitando estrellas más allá de nuestro Sol (Agosto 2020; exoplanet.eu). La búsqueda de exoplanetas se ha enfocado históricamente a estrellas como el Sol, en parte para entender el origen de éste, pero también porque estrellas más frías y menos masivas son intrínsecamente menos brillantes. Extender el espacio conocido de parámetros de los sistemas exoplanetarios, hacia ambientes más templados (i.e., hacia anfitrionas más frías y/o en órbitas más grandes) nos permitirá poner a prueba la formación y evolución de planetas fuera de nuestro sistema solar y estudiar su potencial habitabilidad. Desde 2019, hemos estado operando el primer telescopio en México dedicado a exoplanetas (SAINT-EX) con el cual buscamos nuevos sistemas planetarios alrededor de las estrellas enanas M (Demory et al 2020). Es importante profundizar el estudio con la caracterización de las propiedades físicas de los exoplanetas en sistemas transitantes (Gómez Maqueo Chew et al 2013a,b) y de sus estrellas anfitrionas, incluyendo su composición (Jofré et al 2020), así como sus órbitas (e.g., Petrucci et al 2020).
El estudio de los sistemas planetarios es uno de los campos más activos y con mayor impacto en la actualidad. En México, y en especial en la UNAM, hemos sido muy activos en este campo y somos expertos en el estudio del nacimiento de los planetas y en la caracterización de sistemas ya formados. Poseemos experiencia e infraestructura importante en técnicas observacionales muy diferentes, óptico, infrarrojo y milimétrico. Es el momento de aunar esfuerzos para converger en un mejor entendimiento de los sistemas planetarios.
A través de este proyecto se explorarán los sistemas planetarios con una estrategia dual. Por un lado, estudiaremos propiedades de discos protoplanetarios en varios estados evolutivos, lo que nos dará idea de las condiciones iniciales que dan lugar a sistemas planetarios. Por otro lado, estudiaremos sistemas planetarios extrasolares como producto de la formación estelar y planetaria y compararlas con nuestras mediciones de las propiedades físicas de las estrellas anfitrionas y sus planetas.
Queremos entender el proceso de crecimiento del polvo para formar planetas. Para ello usaremos observaciones milimétricas de alta calidad con eVLA y ALMA. En los últimos años nuestro grupo ha sido pionero en este tipo de análisis sentando las bases de las técnicas observacionales así como teóricas. En particular, realizamos un estudio intensivo del disco alrededor de la estrella muy joven HL Tau que nos permitió, por primera vez, estudiar las propiedades del polvo en las subestructuras del disco (Carrasco-González et al. 2019). Este estudio tuvo un alto impacto en el campo. Encontramos que diferentes subestructuras tienen diferentes orígenes: mientras las zonas externas del disco parecen ser el resultado de la presencia de al menos un protoplaneta gigante, las zonas internas parecen ser el resultado de cambios en la composición química del polvo. Nuestro objetivo ahora es extender este tipo de estudio a otros discos. Para ello, contamos ya con un conjunto de observaciones en ALMA y VLA realizadas y/o aprobadas para realizarse durante 2020 y 2021 (Proyectos VLA: 19A-388, 20A-356, 20B-062, 20B-122). En estas campañas se observarán alrededor de 10 estrellas con discos con diferentes edades, desde muy jóvenes (Clase 0) hasta edades en las que ya deben estar formando planetas (Clase I/II), así como diferentes características. Por ejemplo, es importante estudiar discos con y sin subestructura para tratar de entender el papel que éstas juegan en el crecimiento del polvo. Por otro lado, es necesario estudiar el efecto de la forma de los granos. Para ello trabajaremos en el cálculo de las propiedades ópticas del polvo usando formas más realistas en lugar de la tradicional simplificación de granos esféricos. La contribución final será una de las primeras descripciones detalladas de la evolución del polvo en discos.
Buscamos también explorar los mecanismos físicos que dan lugar a la formación de los sistemas planetarios a través del estudio de las características observadas de las poblaciones planetarias. Como demostramos en Demory et al (2020), haremos un particular enfoque en regiones del espacio de parámetros que tengan pocas restricciones observacionales, como son los sistemas planetarios alrededor de estrellas de baja masa con el fin de explorar ambientes planetarios más templados y planetas más pequeños y los sistemas planetarios con más de un planeta transitante. Continuaremos con las operaciones rutinarias y el aprovechamiento científico del telescopio SAINT-EX ubicado en el OAN-SPM, que se espera reanude actividades antes del comienzo de este proyecto. El acceso a las observaciones con SAINT-EX está garantizado y éstas han demostrado tener la calidad necesaria para medir tránsitos de hasta 0.001 mag de profundidad; por lo que podremos adquirir las observaciones requeridas para confirmar la naturaleza planetaria de nuevos sistemas planetarios y descartar falsos positivos, así como medir sus propiedades físicas de manera precisa. Además desarrollaremos herramientas para el procesamiento de las curvas de luz de tal forma de minimizar el ruido y poder encontrar tránsitos aún menos profundos y una herramienta para el análisis de las variaciones de tiempos de tránsito para poder medir las masas de los planetas en sistemas múltiples que será pública. Nuestro equipo cuenta con la experiencia en el análisis completo de los sistemas planetarios, incluyendo la caracterización espectroscópica de las estrellas y sus propiedades fundamentales, la caracterización orbital, las masas y radios de los planetas (e.g., Jofré et al 2020, Petrucci et al 2020, Gómez Maqueo Chew et al 2013a,b). Otra de las contribuciones de este proyecto será la caracterización fotométrica de estrellas enanas M con el fin de estudiar su variabilidad, los periodos rotacionales y actividad estelar en la parte más baja de la secuencia principal. Esto informará los estudios de habitabilidad de los planetas rocosos alrededor de este tipo de estrellas.