Búsqueda de la marca química de formación de planetas en sistemas binarios

Abstract

En las ´ultimas d´ecadas, el n´umero de exoplanetas detectados ha crecido de forma expo- nencial, superando actualmente los 7340 casos confirmados1. Este notable incremento ha sido posible gracias al desarrollo y perfeccionamiento de m´etodos observaciona- les, entre los que destacan la t´ecnica de velocidad radial y la detecci´on por tr´ansitos, responsables de la mayor´ıa de los descubrimientos actuales. Estudios espectrosc´opicos anteriores, como los de Gonzalez (1996, 1997), mostra- ron que estrellas con planetas gigantes (de tipo Hot Jupiter2) presentan un exceso de metales, lo que sugiere que la migraci´on de estos planetas hacia ´orbitas m´as cercanas podr´ıa haber empujado material circundante hacia la estrella. Estudios posteriores, co- mo los de Santos et al. (2004, 2005), confirmaron que la formaci´on de planetas es m´as probable en estrellas con alta metalicidad, un resultado que Fischer y Valenti (2005) cuantificaron al encontrar que un 25 % de las estrellas con metalicidad superior a 0.3 dex albergan planetas gigantes. Sin embargo, la formaci´on de planetas no solo afecta la abundancia de metales en las estrellas que albergan gigantes gaseosos. Mel´endez et al. (2009) descubrieron que el Sol, comparado con 11 gemelas solares, presenta una deficiencia en elementos refractarios, lo que sugiere que estos elementos fueron secuestrados en planetas roco- sos durante la formaci´on del sistema solar. Este patr´on de abundancias, correlacionado con la temperatura de condensaci´on de los elementos, implicar´ıa que la formaci´on de planetas terrestres tambi´en puede dejar una marca qu´ımica en la estrella anfitriona. El inter´es en los sistemas binarios ha crecido como objetos clave para estudiar di- ferencias qu´ımicas, debido a la suposici´on de que ambas componentes nacen de la misma nube molecular (conatal), compartiendo la qu´ımica inical y la ´epoca de naci- miento (coeval). Estos sistemas permiten un an´alisis diferencial de alta precisi´on entre componentes f´ısicamente similares, minimizando errores sistem´aticos (por ejemplo, Saffe et al., 2015; Teske et al., 2016; Liu et al., 2018; Saffe et al., 2019; Jofr´e et al., 2021; Flores et al., 2024; Miquelarena et al., 2024). En particular, la idea de homoge- neidad qu´ımica en estos sistemas es esencial para comprender c´omo la formaci´on de planetas y otros fen´omenos, como la difusi´on o las diferencias de origen primordial, podr´ıan influir en las abundancias estelares. Este trabajo se centr´o en principio en el sistema binario HD 240429/30, conocido como Krios y Kronos, que presenta una de las mayores diferencias en metalicidad de- tectada en sistemas de componentes similares. Se realiz´o un an´alisis diferencial de alta precisi´on para medir las abundancias de 26 elementos en ambas estrellas, utilizando espectros de alta resoluci´on del espectr´ografo MAROON-X (R ∼ 85000). Los resul- tados de este trabajo fueron recientemente publicados en la revista Astronomy & Astrophysics (Miquelarena, P., et al., 2024, A&A 688, A73). Los resultados mostraron que Kronos es significativamente m´as rico en metales que Krios por aproximadamente 0.23 dex, desafiando el concepto de homogeneidad qu´ımi- ca en sistemas binarios conatales. Se identific´o una diferencia notable en la abundancia de Litio (Li), con Kronos presentando un exceso de 0.56 dex respecto a Krios, adem´as de un incremento en los elementos refractarios. Varios escenarios fueron explorados para explicar esta disparidad, aunque ninguno pudo explicar completamente la diferencia observada. Uno de los mecanismos pro- puestos fue la ingesti´on planetaria, sugiriendo que Kronos podr´ıa haber ingerido hasta 27.8 M⊕ de material rocoso, lo que explicar´ıa tanto el exceso de metales como de Li. El estudio de estrellas gigantes ofrece una ventaja significativa en la investigaci´on de diferencias qu´ımicas en sistemas binarios (por ejemplo, Bovy, 2016; Ness et al., 2018), debido a que sus amplias zonas convectivas las vuelven menos susceptibles a los efectos de difusi´on y contaminaci´on externa que las estrellas de secuencia princi- pal (por ejemplo, Korn et al., 2007). Esto las convierte en excelentes candidatas para explorar eventos como la ingesti´on planetaria o la existencia de inhomogeneidades primordiales, que podr´ıan explicar las diferencias en abundancias elementales entre estrellas conatales. Otro estudio llevado a cabo durante este trabajo es el presentado en Saffe, Miquela- rena et al. (2024), donde se analiz´o en detalle el sistema binario HD 138202 + CD-30 12303, compuesto por dos estrellas gigantes con una separaci´on proyectada de 38575 UA. Se encontr´o una diferencia significativa en la metalicidad de las dos estrellas de aproximadamente 0.08 dex en [Fe/H]. Adem´as, se realiz´o un an´alisis diferencial de alta precisi´on utilizando espectros de alta resoluci´on obtenidos con el espectr´ografo GHOST (R ∼ 50000). A trav´es de este an´alisis, se exploraron diversos escenarios para explicar las diferencias observadas, incluyendo la posible ingesti´on de planetas y las diferencias primordiales en la nube molecular de formaci´on. Sin embargo, se descart´o la ingesti´on planetaria como causa de la discrepancia, debido a que las estrellas gigan- tes poseen zonas convectivas demasiado profundas, lo que diluir´ıa cualquier material ingerido. Se concluye, a partir de este estudio, que la explicaci´on m´as probable para las diferencias qu´ımicas observadas es la presencia de inhomogeneidades primordia- les en la nube molecular original de formaci´on de las estrellas. Los sorprendentes resultados de este trabajo fueron recientemente publicados como Letter en la re- vista Astronomy & Astrophysics (Saffe, C., Miquelarena, P., et al., 2024, A&A 682, L23). Adicionalmente, se est´a llevando a cabo un an´alisis estad´ıstico en una muestra m´as amplia de sistemas binarios con estrellas gigantes (Miquelarena et al. in prep), con el objetivo de evaluar si las inhomogeneidades primordiales son una explicaci´on recurrente en estos sistemas. Este enfoque permitir´a no solo confirmar la frecuencia de estas diferencias qu´ımicas, sino tambi´en explorar otros posibles mecanismos que influyan en la qu´ımica de estrellas conatales. 1Fuente: https://exoplanet.eu/home/ 2Planetas gigantes que, seg´un modelos de migraci´on orbital, se desplazan hasta ubicarse a unas pocas cent´esimas de unidad astron´omica de su estrella; el material ubicado entre el planeta y la estrella se presume que es finalmente acretado Pollack et al. (1996)