Una atmósfera de un exoplaneta como nunca antes se había visto

Un reciente estudio en el que han participado investigadores del Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA, ha obtenido por primera vez de una forma tan clara y completa un retrato de cómo son y de qué elementos químicos están compuestos los cielos de un mundo lejano gracias a observaciones con el telescopio espacial James Webb.

Espectro de la atmósfera del planeta WASP-39b detectado por el instrumento NIRSpec del JWST en el rango del infrarrojo medio. Crédito: NASA/STSci

Conocido por transmitir impresionantes imágenes a la Tierra en los últimos meses, el telescopio espacial James Webb de la NASA acaba de obtener otra primicia: la huella química de la atmósfera de un exoplaneta.

El conjunto de instrumentos altamente sensibles del telescopio se enfocó en la atmósfera de un «Saturno caliente», un planeta tan masivo como Saturno que orbita una estrella a unos 700 años luz de distancia, conocido como WASP-39 b. Si bien el Webb y otros telescopios espaciales, incluidos el Hubble y el Spitzer, han revelado previamente ingredientes aislados de la atmósfera de este planeta caliente, las nuevas lecturas brindan un menú completo de átomos, moléculas e incluso signos de química activa y de la presencia de nubes.

Los datos más recientes también dan una pista de cómo se verían estas nubes de cerca: divididas en lugar de una capa única y uniforme sobre el planeta.

Los hallazgos proporcionan una buena idea de la capacidad de los instrumentos del Webb para realizar la amplia gama de investigaciones de exoplanetas (planetas alrededor de otras estrellas) que espera la comunidad científica. Eso incluye sondear las atmósferas de planetas rocosos más pequeños como los del sistema TRAPPIST-1.

«Observamos el exoplaneta con múltiples instrumentos que, juntos, brindan una amplia franja del espectro infrarrojo y una panoplia de huellas dactilares químicas inaccesibles hasta JWST», dijo Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California, Santa Cruz, quien contribuyó y ayudó a coordinar la nueva investigación. «Datos como estos son un verdadero logro».

El conjunto de descubrimientos se detalla en un conjunto de cinco nuevos artículos científicos, que se publicarán en una revista de alto impacto y se hacen ahora disponibles. Entre las revelaciones sin precedentes se encuentra la primera detección en la atmósfera de un exoplaneta de dióxido de azufre, una molécula producida a partir de reacciones químicas provocadas por la luz de alta energía de la estrella madre del planeta. En la Tierra, la capa protectora de ozono en la atmósfera superior se crea de manera similar.

Las nuevas observaciones de WASP-39b con el JWST han proporcionado una imagen más clara del exoplaneta, mostrando la presencia de sodio, potasio, agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono y dióxido de azufre en la atmósfera del planeta. La ilustración artística de fondo también muestra parches de nubes recientemente detectados esparcidos por todo el planeta. El telescopio espacial James Webb de la NASA hizo la primera identificación de dióxido de azufre en la atmósfera de un exoplaneta. Su presencia solo puede explicarse por la fotoquímica: reacciones químicas desencadenadas por partículas de luz estelar de alta energía. La fotoquímica es esencial para procesos en la Tierra clave para la vida como la fotosíntesis y la generación de nuestra capa de ozono. Créditos: NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Centro de Astrofísica-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss. Traducción y adaptación al español: Jorge Lillo-Box/CAB

“En los primeros datos vimos una señal muy peculiar en la atmósfera de este planeta cuyo origen no logramos entender. Ahora, con este análisis, hemos podido inferir que se trataba de la huella que deja el dióxido de azufre producido por la alta radiación que el planeta recibe de su estrella en las capas altas de la atmósfera”, indica Jorge Lillo-Box, investigador postdoctoral del Centro de Astrobiología, y que ha participado en el estudio.

Según Shang-Min Tsai, investigador de la Universidad de Oxford en el Reino Unido y autor principal del artículo que explica el origen del dióxido de azufre en la atmósfera de WASP-39 b, “Esta es la primera vez que vemos evidencia concreta de fotoquímica (reacciones químicas iniciadas por luz estelar energética) en exoplanetas”.

A una temperatura estimada de 1600 grados Fahrenheit (900 grados Celsius) y una atmósfera compuesta principalmente de hidrógeno, no se cree que WASP-39 b sea habitable. Pero el nuevo trabajo señala el camino para encontrar potenciales rastros de vida en un planeta habitable.

La proximidad del planeta a su estrella anfitriona, ocho veces más cerca que Mercurio de nuestro Sol, también lo convierte en un laboratorio para estudiar los efectos de la radiación de las estrellas anfitrionas en los exoplanetas. Un mejor conocimiento de la conexión estrella-planeta debería traer una comprensión más profunda de cómo estos procesos crean la diversidad de planetas observados en la galaxia.

El telescopio Webb también vio dióxido de carbono a una resolución más alta, proporcionando el doble de datos que los informados en sus observaciones anteriores. Mientras tanto, se detectó monóxido de carbono, pero las firmas obvias de metano y sulfuro de hidrógeno estaban ausentes de los datos de Webb. Si están presentes, estas moléculas se encuentran en niveles muy bajos, un hallazgo significativo para los científicos que realizan inventarios de la química de los exoplanetas para comprender mejor la formación y el desarrollo de estos mundos distantes.

Webb ve el universo en luz infrarroja, en el extremo rojo del espectro de luz más allá de lo que pueden ver los ojos humanos; eso permite que el telescopio recoja huellas químicas que no se pueden detectar en la luz visible. En total se han utilizado tres instrumentos para caracterizar en profundidad la atmósfera de este planeta en el rango infrarrojo: NIRSpec, NIRCam y NIRISS.

«Realmente se pueden restringir con precisión las propiedades de estos planetas al tener un espectro tan amplio», dijo Adina Feinstein, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago y primera autora del artículo que se enfoca en las observaciones de espectro usando NIRISS. “Entonces comienzas a obtener una imagen completa [de las atmósferas] que no podías obtener antes”.

Para ver la luz de WASP-39 b, Webb siguió el paso del planeta frente a su estrella, lo que permitió que parte de la luz de la estrella se filtrara a través de la atmósfera del planeta. Los diferentes tipos de sustancias químicas en la atmósfera absorben diferentes colores del espectro de luz de las estrellas, por lo que los colores que faltan indican a los astrónomos qué moléculas están presentes.

Tener una lista tan completa de ingredientes químicos en la atmósfera de un exoplaneta también les da a los científicos una idea de la abundancia de diferentes elementos en relación entre sí, como las proporciones de carbono a oxígeno o de potasio a oxígeno. Eso, a su vez, proporciona una idea de cómo este planeta, y quizás otros, se formaron a partir del disco de gas y polvo que rodeaba a la estrella madre en sus años más jóvenes.

David Barrado, también investigador del Centro de Astrobiología, resalta que en un futuro próximo al telescopio Web se le añadirán otros en orbita, como PLATO, o en Tierra, como el ELT y que el CAB tiene una muy activa participación en estos programas.

El inventario químico de WASP-39 b sugiere una historia de aplastamientos y fusiones de cuerpos más pequeños llamados planetesimales para crear un eventual planeta gigante.

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