UN CHOQUE GIGANTE PUEDE SALVAR LA ATMÓSFERA DE UN PLANETA

Si se miden los tamaños de los exoplanetas pequeños, se reparten en dos grupos: un pico en torno a 1,3 veces el radio de la Tierra y otro en torno a 2,4 veces, con un hueco en 1,75. Se cree que los pequeños son planetas rocosos desnudos: las supertierras. Los grandes, los subneptunos, serían planetas rocosos todavía envueltos en su atmósfera primordial, rica en hidrógeno. Así que algunos planetas deben de haber perdido mucho hidrógeno. Pero ¿cuáles, y cómo?

El sospechoso habitual

Se espera que los planetas rocosos del tamaño de la Tierra o mayores sufran uno o varios impactos gigantes al final de su formación, algunos de ellos después de que se haya disipado el disco de gas que rodea a la estrella joven. Una explicación popular de los dos grupos culpa a esos choques tardíos: el choque calienta el manto del planeta, la superficie abrasadora impulsa el gas a escapar y un planeta con atmósfera se convierte en una supertierra.

Darius Modirrousta-Galian, de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, y Jun Korenaga, de la Universidad de Yale, sostienen que esta imagen deja fuera la mitad del balance. Su estudio ha sido aceptado en la revista Nature Astronomy.

La otra cara del balance

Una colisión no solo calienta un planeta. También añade masa, y toda esa masa hace más profundo el pozo gravitatorio que retiene la atmósfera. Mientras tanto, solo una parte de la energía del impacto calienta realmente el manto:

• el núcleo metálico del impactor se hunde a través del manto, cediendo poca energía por el camino, y acaba en las profundidades, todavía sobrecalentado;
• la roca que se funde absorbe energía en forma de calor latente, sin que suba la temperatura;
• el calor que llega a la superficie se amortigua en lo alto de la atmósfera. La temperatura de las capas que controlan el escape la fija la luz de la estrella, no el suelo caliente que hay debajo.

Para un planeta cuyo núcleo metálico supone el 30 % de su masa, alrededor del 84 % de la energía del impacto va al manto, en línea con simulaciones detalladas de colisiones. El gas que arranca directamente el impactor es poco; la onda de choque suele eliminar entre un 10 y un 20 % de la atmósfera. En conjunto, según los autores, el agarre gravitatorio del planeta crece más de lo que se calienta su manto: tras el choque, la atmósfera queda retenida con más fuerza que antes.

Cien millones de planetas

Para ponerlo a prueba en toda una población, el equipo simuló 100 millones de planetas con distribuciones realistas de masas, temperaturas, núcleos metálicos y atmósferas. En cada serie de simulaciones, cada planeta tiene una probabilidad del 52, el 63 o el 74 %, según la serie, de sufrir un impacto gigante una vez desaparecido el disco de gas —valores tomados de simulaciones de formación planetaria—, con un impactor de hasta la mitad de la masa final. Después, el modelo sigue el enfriamiento del manto fundido y la fuga de la atmósfera durante 5.000 millones de años.

El resultado reproduce los dos picos observados, en torno a 1,3 y 2,4 radios terrestres con un hueco en 1,75, con todas las recetas de impacto probadas. Dos simulaciones de control muestran por qué. Sin ningún impacto tardío, demasiados planetas acaban desnudos. Con un impacto para cada planeta, demasiados conservan su hidrógeno. Los choques fijan el equilibrio al empujar a los planetas por encima de un umbral de masa a partir del cual el hidrógeno se queda donde está.

Cuanto mayor el choque, más segura la atmósfera

La probabilidad de perder toda la atmósfera disminuye a medida que crecen la masa inicial del planeta y la proporción del impactor. Los autores ajustan una curva sencilla para la proporción del impactor con la que solo el 1 % de los planetas lo pierde todo: χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, donde χ es la masa del impactor dividida por la masa final y M la masa inicial en masas terrestres. Para un planeta que parte de 5 masas terrestres, eso corresponde a un impactor de alrededor de una cuarta parte de la masa final; por encima de la curva, los planetas conservan casi siempre su atmósfera primordial.

Corazones más pesados para los subneptunos

Si los choques ayudan a los planetas a conservar su hidrógeno, entonces los subneptunos probablemente crecieron a través de más colisiones y albergan interiores rocosos más masivos que las supertierras. Los planetas medidos ya apuntan en esa dirección: los subneptunos pesan más de unas 4 a 5 masas terrestres, y las supertierras, menos. Los autores enumeran los instrumentos que pueden poner a prueba la idea: JWST, Ariel y Twinkle, que buscarán hidrógeno en las atmósferas de los planetas más grandes; PLATO y JUST, que los pesarán; y el telescopio espacial Nancy Grace Roman, que alcanzará mundos más pequeños y lejanos.