Cheops de la ESA encuentra un anillo inesperado alrededor del planeta enano Quaoar

Cómo observar objetos distantes en el Sistema Solar

El anillo fue descubierto a través de una serie de observaciones que tuvieron lugar entre 2018 y 2021. Usando una colección de telescopios terrestres y el telescopio espacial Cheops, los astrónomos observaron cómo Quaoar cruzaba frente a una sucesión de estrellas distantes, bloqueando brevemente apagar su luz al pasar.

Tal evento se conoce como una ocultación. Observar cómo cae la luz de la estrella oculta proporciona información sobre el tamaño y la forma del objeto oculto, y puede revelar si el objeto intermedio tiene una atmósfera o no. En este caso, gotas más pequeñas antes y después de la ocultación principal revelaron la presencia de material en órbita alrededor de Quaoar.

Quaoar es uno de una colección de mundos pequeños y distantes conocidos como objetos transneptunianos (TNO). Se conocen aproximadamente 3000. Como sugiere su nombre, los TNO se encuentran en los confines del Sistema Solar, más allá de la órbita del planeta Neptuno. Los TNO más grandes son Plutón y Eris. Con un radio estimado de 555 km, Quaoar ocupa el séptimo lugar en la lista de tamaños y está orbitado por una pequeña luna llamada Weywot, de aproximadamente 80 km de radio.

Estudiar estos planetas enanos es complicado debido a sus pequeños tamaños y distancias extremas. Quaoar orbita alrededor del Sol a casi 44 veces la distancia Sol-Tierra. Por lo tanto, las ocultaciones son herramientas particularmente valiosas. Sin embargo, hasta hace poco tiempo ha sido complicado predecir exactamente cuándo y dónde tendrán lugar.

Para que ocurra una ocultación, la alineación entre el objeto ocultador (aquí el TNO), la estrella y el telescopio observador debe ser extremadamente precisa. En el pasado, ha sido casi imposible cumplir con los estrictos requisitos de precisión para estar seguros de ver un evento. Sin embargo, para perseguir este objetivo, se creó el proyecto Lucky Star del Consejo Europeo de Investigación, coordinado por Bruno Sicardy, la Universidad de la Sorbona y el Observatorio de París – PSL (LESIA), para predecir las próximas ocultaciones de los TNO y coordinar la observación de estos eventos desde observatorios profesionales y aficionados de todo el mundo.

Alineación precisa

Recientemente, el número de ocultaciones estelares observadas ha aumentado. En gran parte, esto se debe a la contribución de los datos de la misión de mapeo estelar Gaia de la ESA. La nave espacial ha brindado una precisión tan increíble en sus posiciones estelares que las predicciones hechas por el equipo de Lucky Star se han vuelto mucho más ciertas.

Una de las personas involucradas en el proyecto Lucky Star es Isabella Pagano del Observatorio Astrofísico INAF de Catania, Italia, y miembro de la Junta de Cheops. Isabella fue contactada por Kate Isaak, científica del proyecto de la ESA para la misión Cheops, quien tenía curiosidad por saber si el telescopio espacial también sería capaz de captar una ocultación.

«Estaba un poco escéptica sobre la posibilidad de hacer esto con CHEOPS», admite Isabella, «pero investigamos la viabilidad».

El problema principal fue que la trayectoria del satélite puede modificarse ligeramente debido a la resistencia en las partes superiores de la atmósfera terrestre. Esto se debe a la actividad solar impredecible que puede golpear nuestro planeta e inflar su atmósfera.

De hecho, la primera vez que el equipo intentó observar una ocultación con Keops, que involucraba a Plutón, la predicción no fue lo suficientemente precisa y no se pudo observar ninguna ocultación.

Sin embargo, la alineación fue más favorable en el segundo intento, cuando observaron a Quaoar. Al hacerlo, hicieron la primera detección de una ocultación estelar por un objeto transneptuniano del espacio.

Ponle un anillo

“Los datos de Cheops son asombrosos para la relación señal/ruido”, dice Isabella. La señal a ruido es una medida de qué tan fuerte es la señal detectada al ruido aleatorio en el sistema. Keops da una gran señal al ruido porque el telescopio no está mirando a través de los efectos distorsionadores de la atmósfera inferior de la Tierra.

Esta claridad resultó decisiva para reconocer el sistema de anillos de Quaoar porque permitió a los investigadores eliminar la posibilidad de que las gotas de luz fueran causadas por un efecto espurio en la atmósfera terrestre. Al combinar varias detecciones secundarias, tomadas con telescopios en la Tierra, fue posible estar seguro de que fueron causadas por un sistema de anillos que rodeaba a Quaoar.

Bruno Morgado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil, dirigió el análisis. Combinó los datos de Cheops con los de grandes observatorios profesionales de todo el mundo y científicos ciudadanos aficionados, todos los cuales habían observado a Quaoar ocultando varias estrellas en los últimos años. “Cuando juntamos todo, vimos caídas en el brillo que no fueron causadas por Quaoar, pero que apuntaban a la presencia de material en una órbita circular a su alrededor. En el momento en que lo vimos, dijimos: ‘Está bien, estamos viendo un anillo alrededor de Quaoar'».

Cuando se trata de sistemas de anillos, el planeta gigante Saturno tiene la corona. Conocido como el planeta de los anillos, Saturno cuenta con una colección de polvo y pequeñas lunas que rodean el ecuador del planeta. A pesar de ser una vista de observación impresionante, la masa del sistema de anillos es bastante pequeña. Si se recolecta, tendría entre un tercio y la mitad de la masa de la luna Mimas de Saturno, o aproximadamente la mitad de la masa de la plataforma de hielo antártica de la Tierra.

El anillo de Quaoar es mucho más pequeño que el de Saturno, pero no menos intrigante. No es el único sistema de anillos conocido que existe alrededor de un planeta enano o menor. Otros dos, alrededor de Chariklo y Haumea, han sido detectados a través de observaciones desde tierra. Sin embargo, lo que hace que el anillo de Quaoar sea único es dónde se encuentra en relación con el propio Quaoar.

El límite de Roche

Cualquier objeto celeste con un campo gravitatorio apreciable tendrá un límite dentro del cual un objeto celeste que se acerque se hará pedazos. Esto se conoce como el límite de Roche. Se espera que existan sistemas de anillos densos dentro del límite de Roche, como es el caso de Saturno, Chariklo y Haumea.

“Entonces, lo que es tan intrigante sobre este descubrimiento alrededor de Quaoar es que el anillo de material está mucho más lejos que el límite de Roche”, dice Giovanni Bruno, del Observatorio Astrofísico de Catania de INAF, Italia.

Esto es un misterio porque, según el pensamiento convencional, los anillos más allá del límite de Roche se fusionarán en una pequeña luna en unas pocas décadas. “Como resultado de nuestras observaciones, la noción clásica de que los anillos densos sobreviven solo dentro del límite de Roche de un cuerpo planetario debe revisarse a fondo”, dice Giovanni.

Los primeros resultados sugieren que las gélidas temperaturas en Quaoar pueden desempeñar un papel en la prevención de que las partículas heladas se peguen, pero se necesitan más investigaciones.

“Las observaciones de Cheops han jugado un papel clave en el establecimiento de la presencia de un anillo alrededor de Quaoar, en una aplicación de fotometría de alta precisión y alta cadencia que va más allá de la ciencia de exoplanetas más típica de la misión”, dice Kate.

Mientras los teóricos se ponen a trabajar en cómo pueden sobrevivir los anillos de Quaoar, el proyecto Lucky Star continuará observando a Quaoar y también a otros TNO mientras ocultan estrellas distantes para medir sus características físicas y ver cuántos otros también tienen sistemas de anillos.

Y Cheops volverá a su misión original de estudiar exoplanetas cercanos.

Nota para los editores
«Un anillo denso alrededor del objeto transneptuniano (50000) Quaoar bien fuera de su límite de Roche» por BE Morgado et al., se publica en Naturaleza. DOI: 10.1038/s41586-022-05629-6

Más sobre Keops
Cheops es una misión de la ESA desarrollada en asociación con Suiza, con un consorcio dedicado liderado por la Universidad de Berna y con importantes contribuciones de Austria, Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, Portugal, España, Suecia y el Reino Unido.

La ESA es el arquitecto de la misión Cheops, responsable de la adquisición y las pruebas del satélite, la fase de lanzamiento y operaciones iniciales, y la puesta en marcha en órbita, así como el Programa de observadores invitados a través del cual los científicos de todo el mundo pueden postularse para observar con Cheops. El consorcio de 11 Estados miembros de la ESA encabezado por Suiza proporcionó elementos esenciales de la misión. El contratista principal para el diseño y la construcción de la nave espacial es Airbus Defence and Space en Madrid, España.

El consorcio de la misión Cheops gestiona el Centro de Operaciones de la Misión ubicado en el INTA, en Torrejón de Ardoz, cerca de Madrid, España, y el Centro de Operaciones Científicas, ubicado en la Universidad de Ginebra, Suiza.

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