Efectos de un perturbador interno en la dinámica de órbitas circumbinarias con relatividad general

Abstract

En esta tesis de licenciatura se estudia la dinámica de sistemas circumbinarios compuestos por una binaria estelar, un compañero de masa planetaria y una partícula externa de masa despreciable, incorporando los efectos de la Relatividad General (RG). Estudios recientes han demostrado que las correcciones relativistas no representan un efecto secundario, sino un ingrediente esencial para describir correctamente la evolución secular de este tipo de sistemas. En particular, la RG modifica la precesión del pericentro de la binaria, altera los regímenes de circulación y libración nodal e introduce límites críticos en el semieje mayor de las órbitas circumbinarias, delimitando regiones con comportamientos dinámicos cualitativamente diferentes. Además de los efectos relativistas, la presencia de un planeta gigante alrededor de la binaria genera una precesión apsidal adicional. La combinación de ambas fuentes de precesión, relativista y planetaria, produce una dinámica compleja que resulta clave para comprender la estabilidad y la evolución de órbitas circumbinarias. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación consiste en analizar cómo la excentricidad de la binaria, la masa e inclinación del planeta y el semieje mayor de una partícula externa influyen sobre la evolución dinámica del sistema, identificando correlaciones que contribuyan a una mejor interpretación de futuras observaciones de sistemas planetarios circumbinarios. La investigación se desarrolló mediante simulaciones numéricas de N-cuerpos, complementadas con una teoría analítica secular cuadrupolar que incorpora correcciones relativistas. La combinación de ambas herramientas permitió interpretar los mecanismos físicos responsables de la evolución orbital y verificar la robustez de los resultados obtenidos. Los sistemas analizados están formados por una binaria estelar con dos estrellas de 0.5 Msol cada una y un semieje mayor inicial de 0.5 ua. Alrededor de la binaria orbita un planeta inicialmente en una órbita circular con un semieje mayor de 2.5 ua, referido al centro de masa del sistema. Además, se considera una partícula externa de masa despreciable, inicialmente sobre una órbita circular y coplanar respecto al sistema interno. Con el propósito de establecer una base común de comparación, estos parámetros permanecen fijos durante las simulaciones, mientras que se modifican sistemáticamente la excentricidad de la binaria, la masa e inclinación inicial del planeta y el semieje mayor inicial de la partícula externa. En particular, la excentricidad inicial de la binaria adopta los valores 0.2, 0.5 y 0.8. Inicialmente se considera un planeta con masa de 1 Mjup para aislar el efecto de la excentricidad de la binaria, y posteriormente se extiende el análisis a masas de 1 Msat y 3 Mjup. Asimismo, la inclinación inicial del planeta se explora entre 0° y 180°, mientras que el semieje mayor inicial de la partícula externa varía entre 5 y 20 ua. Este amplio muestreo del espacio de parámetros permite identificar regiones de estabilidad y regímenes caracterizados por grandes variaciones de la inclinación orbital. Los resultados muestran que el semieje mayor y la excentricidad de la partícula externa permanecen prácticamente constantes durante toda la evolución. Sin embargo, la inclinación orbital puede experimentar oscilaciones de gran amplitud dependiendo de la configuración inicial del sistema. Se observa que tanto la región del espacio de parámetros donde ocurren estas excitaciones como la amplitud de las oscilaciones aumentan significativamente al incrementar la excentricidad inicial de la binaria. Asimismo, la masa del planeta desempeña un papel fundamental al determinar el límite inferior del semieje mayor de la partícula a partir del cual se producen excitaciones importantes de la inclinación. En particular, dicho límite disminuye conforme aumenta la masa del planeta, mientras que el intervalo de inclinaciones iniciales del planeta que favorece estas oscilaciones depende principalmente de la excentricidad de la binaria y resulta prácticamente independiente de la masa planetaria. Las simulaciones de N-cuerpos muestran una excelente concordancia con las predicciones de la teoría analítica secular cuadrupolar con RG. La órbita de la binaria mantiene prácticamente constante su semieje mayor, mientras que las variaciones en su excentricidad e inclinación son pequeñas. No obstante, se identifican cambios puntuales en la excentricidad asociados a configuraciones donde el planeta experimenta flipeos orbitales, los cuales se encuentran correlacionados con libraciones de la longitud del nodo ascendente. De manera similar, el planeta conserva prácticamente constantes su semieje mayor y su excentricidad, aunque su inclinación puede presentar grandes oscilaciones. El rango de inclinaciones iniciales que conduce a estos flipeos aumenta al incrementarse la excentricidad de la binaria y permanece prácticamente independiente de la masa planetaria. En conjunto, los resultados muestran que binarias de baja excentricidad generan oscilaciones moderadas en la inclinación de órbitas circumbinarias, proporcionando condiciones más favorables para la detección de exoplanetas mediante la técnica de tránsito. En cambio, binarias altamente excéntricas producen oscilaciones mucho más intensas, dificultando su detección observacional. De esta manera, esta investigación aporta nuevas herramientas para comprender la diversidad de sistemas planetarios circumbinarios y contribuye a la interpretación de futuras observaciones de exoplanetas que orbitan alrededor de sistemas binarios.