Otros Mundos: Enanas Marrones y Exoplanetas

1. Otros Mundos: Enanas Marrones y Exoplanetas Eduardo L. Martin Instituto Astrofisico de Canarias/Hawaii Esquema: 1) Que es una enana marron? Y un planeta? 2) Como, cuando y donde se encuentran? 3) Como se forman las enanas marrones? Septiembre 2003

2. Que tipo de planetas hay en el Sistema Solar? Nuestro Sistema Planetario • Una estrella G2V aislada • Cuatro planetas rocosos internos • Cuatro planetas gigantes gaseosos externos • Orbitas coplanares y circulares • Lunas, anillos, asteroides, cometas, plutinos • Region poco conocida mas alla de 50 AU (posible planeta X o enana marron tipo Nemesis).

3. Que es una enana marron? Y un planeta? El Poder de la Masa • Una enana marron se define por su masa, independientemente del mecanismo de formacion. • La frontera entre estrellas y enanas marrones es debida al desarrollo de nucleos degenerados en objetos de muy baja masa. • Las masa minima para la quema estable de H depende de la composicion quimica y la rotacion. Para abundancias solares e ignorando la rotacion el limite es=0.075MSun=79MJupiter. • Adoptamos como frontera en masa entre enanas marrones y planetas 0.012MSun=13MJupiter.

4. Por que’ las enanas marrones y planetas no brillan como las estrellas? Reactores Nucleares Degenerados • Las enanas marrones y los planetas gigantes se contraen y se enfrian con el tiempo debido a la presion de e- degenerados en su nucleo. • La prueba del litio fue inventada para distinguir a las enanas marrones que no queman este fragil elemento.

5. Como funciona la prueba del litio? La Mina de Litio Subestelar • Para M<60MJup el litio nunca se quema. Magazzu, Martin y Rebolo 1993 • En atmosferas muy frias (Teff~2000 K), el Li se en estado neutro. • La linea de resonancia del LiI deberia ser muy intensa en enanas marrones, pero los primeros candidatos observados no la presentaban. Martin, Rebolo, Magazzu 1994

6. Por que se pensaba que las enanas marrones no existian ? El Desierto de Enanas Marrones • Desde hace mas de 2 decadas se tenia capacidad de detectar enanas marrones con la tecnica de velocidad radial. La funcion de masas se truncaba en el limite subestelar. Marcy et al. 1994.

7. Cual fue el primer planeta extrasolar? Planetas No Confirmados • Los planetas fantasmas son los que se han anunciado una vez pero no han sido confirmados cuando los datos han mejorado . • Quiza el caso mas famoso es el del planeta en torno a la estrella de Barnard. Van de Kamp 1956.

8. Cuando se descubrieron las primeras enanas marrones y exoplanetas? Una Gran Cosecha • En 1995 fueron descubiertos tres objetos clave: 51 Peg b (Mayor y Queloz), Gl 229B (Nakajima et al. y Oppenheimer et al.) y Teide Pleyades 1 (Rebolo, Zapatero-Osorio y Martin). • Quedaba demostrada la existencia de enanas marrones y exoplanetas.

9. Como descubrieron a Teide 1? Teide Pleyades 1 • Observada por primera vez en el Isaac Newton en 1986, pero paso inadvertida. Jameson y Skillen 1989. • Reobservada en 1994 con el telescopio IAC80. Movimiento propio consistente con el cumulo. • Primer espectro obtenido en 1994 con el William Herschel. Deteccion del litio con el KeckI en 1995.

10. Por que me traslade a trabajar a Hawaii? El Mayor Observatorio del Mundo • El instituto de Astronomia de la Universidad de Hawaii posee entre el 10% y el 15% del tiempo de todos los telescopios instalados en Hawaii. • 2 Keck 10m, Subaru 8m, Gemini 8m, CFHT 3.6m, UKIRT 3.9m.

11. Por que no me quede en Hawaii? El Descanso del Guerrero • No soy un soldado (americano) • La ciencia no solo consiste en tomar datos en los mejores telescopios. Hay que tener tiempo de reflexionar. • Proyectos de futuro en mi pais (Grantecan, ALMA).

12. Cuales son las estrellas y enanas marrones mas cercanas? La Vecindad Solar • Las enanas M son las estrellas mas abundantes en la vecindad solar. • Hasta 1997 se conocia solo una enana marron dentro de 8 pc (Gl 229 B).

13. Nuevos Vecinas Enanas • Los mapeos del cielo DENIS, 2MASS y SDSS, asi como estudios de movimientos propios han descubierto docenas de enanas marrones a distancias < 20 pc. La mas cercana (Eps Ind B) esta a solo 3.6 pc y es binaria. • La prueba del Li ha permitido verificar la naturaleza subestelar.

14. Cuanto contribuyen en masa las enanas marrones? Extrapolacion de las enanas marrones descubiertas • Teniendo en cuenta la incompletitud de los mapeos, se estima una cantidad total de enanas marrones similar a la de las estrellas, pero contribuyendo menos de un 10% a la masa del disco de la Via Lactea.

15. Hay enanas marrones orbitando estrellas? Un Sistema Estrella Tipo Solar-Enanas Marrones • HR5534,G2V,V=5.9, Protacion=7.8 d, probable miembro del grupo Osa Mayor, edad~300 Ma. • 2 enanas marrones descubiertas con optica adaptativa (Hokupa’a). Separaciones 32 AU y 2.5 AU. 8 magnitudes mas debiles que la estrella en H (1.6 micras). Potter et al. 2002.

16. Hay planetas orbitando estrellas multiples? Un Planera en un Sistema Estelar Triple Dos estrellas G2V casi gemelas. • V1 = 5.96, V2 = 6.20 • Teff1=5785K, Teff2=5747K • Log N(Li)1 = 1.27, Log N(Li)2 <0.60 (King et al. 1997) • 16CygA tiene una estrella companhera tipo M5 (Lloyd et al. 2002) • 16CygB tiene un planeta con Msini=1.5MJup y P=801d(Cochran et al. 1997)

17. Donde estan los exoplanetas descubiertos hasta hoy? Planetas Gigantes en Estrellas de Tipo Solar • Medidas de velocidad radial de alta precision han hallado planetas gigantes con separaciones entre 5 y 0.03 AU. • Al menos un 2% de las estrellas de tipo solar tienen planetas gaseosos.

18. Que tipo de trayectorias describen los exoplanetas? Trayectorias Elipticas • Las curvas de velocidad radial son asimetricas indicando que las trayectorias orbitales son elipticas para la mayoria de los planetas gigantes.

19. Entonces, no hay orbitas circulares? Distribucion de Elipticidades • Los planetas de mas corto periodo tienen trayectorias circularizadas. • Los planetas con periodo > 10 dias suelen tener orbitas elipticas, similar a las estrellas binarias.

20. Cuales son las masas de los exoplanetas? Distribucion de Masas • La funcion de masas crece hacia masas menores. • No se conocen las masas individuales sino la mseni.

21. Se ha descubierto algun planeta en el observatorio de Arecibo ? Planetas en Torno a Pulsares • PSR B1257+12, P=6.2 ms, observado en Arecibo desde 1990. • 3 planetas con masas 0.02, 4.3 y 3.9 tierras, Wolszczan y Frail 1992. • Trayectorias orbitales circulares (0.19 AU,0.36 AU,0.46 AU), coplanaridad, resonancia 3:2. Konacki y Wolszczan 2003. • Frecuencia ~ 10%

22. Es la tierra un planeta raro? • Ntierras=(Pestrella_solar_aislada+Ptierra)*Nestrellas_tipo_solar_edad_solar=0.30*0.1*108~3x106 • Posible que haya un planeta tipo tierra dentro de 100 a.l. (TPF). • Es la tierra un planeta idoneo para la vida organica compleja?

23. Se han obtenido imagenes de exoplanetas? Discos Circumestelares • Epsilon Eridane, 3.2 pc, edad~300Ma • JCMT, 850 microns, Greaves et al. 1997 • Simulacion de N-cuerpos de un disco circumestelar con un planeta igual a Neptuno a 30 AU y eccentricidad de e=0.3, Quillen et al. 2002

24. En que region del cielo estas trabajando? El Cumulo Sigma Orionis • Primer estudio realizado por el ilustre astronomo del retrato. • D=350pc, edad=1-8 Ma. • Docenas de estrellas de baja masa detectadas en rayos X. • Docenas de enanas marrones. • Y planetas!

25. Como se detectan las enanas marrones en ese cumulo Diagrama color-magnitud • En cumulos estelares abiertos se observa una continuidad en las masas de los objetos, desde las estrellas, pasando por enanas marrones y llegando hasta planetas con masas en torno a 5 veces las masa de Jupiter.

26. Pueden existir planetas no asociados a estrellas ? Planetas Libres • Los objetos menos masivos detectados en Orion tienen masas estimadas en <13 MJup, por debajo del limite de quema del Deuterio. • Estos planetas se dispersaran por el disco de la Via Lactea al expandirse el cumulo. • Trayectorias orbitales abiertas.

27. Cuantos objetos subestelares hay en el cumulo? La Funcion de Masas Subestelar • La Funcion de masas tiene una pendiente positiva hacia masas menores y no cambia bruscamente en el limite subestelar. • No se aprecia una caida brusca hasta al menos 5Mjupiter • Puede haber tantas enanas marrones y planetas aislados como estrellas.

28. De que tamaño son las enanas marrones? Tamaños Similares a Jupiter • El radio de las enanas marrones es casi costante pues estado dominado por la degeneracion de e-. • La relacion masa-radio es muy suave R=R0M-1/8. • Las enanas marrones y planetas tienen radios similares.

29. Comparacion Estrellas-Enanas Marrones-Planetas • Las enanas marrones se contraen gravitacionalmente a partir de nubes gaseosas, alcanzando radios menores que el de Jupiter en una escala de tiempo de unos 1000 Ma.

30. Que temperaturas tienen las enanas marrones? Temperaturas • Por debajo de unos 4000K se forma H2 . La recombinacion de esta molecula favorece la inestabilidad convectiva. • Las enanas marrones se enfrian con el tiempo y son totalmente convectivas. Sus propiedades se solapan con las de las estrellas menos masivas y los planetas gigantes.

31. Como se clasifican las enanas marrones? Clasificacion Espectral • Dos nuevas clases espectrales para el siglo XXI. • La clase “L” se caracteriza por el debilitamiento del TiO, y la presencia de FeH, CrH y lineas de NaI y KI. 2200K-1500K • La clase T se caracteriza por la presencia de CH4.

32. Se necesitaran mas clases espectrales en el futuro? La clase hipotetica Y • Un objeto de 35MJupiter pasa de tipo M (10 Ma) a tipo T (1000 Ma), a tipo Y? • Se espera que los espectros cambien con la formacion de amoniaco y de agua liquida.

33. El caso de S Ori 70: una enana T de baja gravedad en Orion KI Best fit:Teff = 1100 (+200/-100) K log g = 3.5 ± 0.5 Low gravity confirms SOri 70 as a free-floating, 3 Mjup planet. It is a benchmark object for the study of field T-dwarfs.

34. Que clase de planeta es SOri70? • Se usan adjetivos calificativos para definir la ubicacion de planetas: “pulsar planets”, “solar-system planets”, “close-in planets”. • SOri70 esta a ~180000 AU de la estrella masiva Sig Ori. • Separacion tipica entre los miembros del cumulo ~50000 AU. • SOri70 es el “planeta de cumulo” mas frio conocido.

35. Como se forman las estrellas? El Ciclo de la Vida Estelar • Las estrellas se forman en el seno de nubes moleculares densas. • La formacion de enanas marrones y planetas es consecuencia del proceso global de la formacion estelar.

36. Donde se forman las enanas marrones? • 1) Minicumulo inestable que eyecta los nucleos menos masivos. 2) Aisladas (posible influencia de radiacion UV) . 3) En discos circumestelares.

37. Modelos Hidrodinamicos de Eyeccion de Enanas Marrones

38. Como se pueden contrastar los modelos teoricos? Enanas Marrones Binarias • Usando Keck/OA, encontramos una enana marron binaria en torno la estrella cercana Gl569. • La separacion es de 0.1” ( ~1 AU) para una distancia de 9.8 parsecs.

39. Primeras masas dinamicas de enanas marrones • Parametros orbitales: P=892d, e=0.3, a=0.9AU. • Masas de 0.072 MSun para Gl569B y 0.064 MSun para Gl569C. • Edad ~300 Myr, consistente con el grupo de movimiento de la Osa Mayor.

40. Cual es la frecuencia de enanas marrones binarias? Busquedas de enanas marrones binarias • Usando HST/NICMOS y WFPC2, y OA en telescopios de clase 8m hemos observado ~150 enanas ultrafrias en la vecindad solar y ~60 en los cumulos alpha Per y Pleyades. • ~15% de binarias, separaciones <15 AU.

41. Conclusiones • Se ha demostrado que las enanas marrones y planetas extrasolares existen. • Estos objetos se encuentran en lugares diferentes, desde el entorno de pulsares hasta cumulos estelares abiertos. • Las enanas marrones y planetas libres son numerosos en la vecindad solar. Solo hemos visto la punta del iceberg. • Las enanas marrones binarias permiten contrastar los modelos evolutivos y distinguir entre modelos de formacion.

42. Terminologia Hispana • Enanas marrones, canelas, café o mulatas ? • Planetas extrasolares o exoplanetas ? • Planetas libres o errantes? • Discos de acrecion o acrecimiento ? • Es marron un color ?