El lado oscuro de un «Júpiter caliente» se revela en detalle por primera vez


Los astrónomos del MIT han obtenido la vista más clara hasta el momento del lado oscuro perpetuo de un exoplaneta que está «bloqueado por mareas» a su estrella. Sus observaciones, combinadas con mediciones del lado diurno permanente del planeta, brindan la primera vista detallada de la atmósfera global de un exoplaneta.

El concepto de un artista de un planeta extrasolar «Júpiter caliente». Crédito: NASA/JPL-Caltech

«Ahora vamos más allá de tomar instantáneas aisladas de regiones específicas de atmósferas de exoplanetas, para estudiarlas como los sistemas 3D que realmente son», dice Thomas Mikal-Evans, quien dirigió el estudio como posdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica y Espacio del MIT. Investigación.

El planeta en el centro del nuevo estudio, que aparece en Nature Astronomy, es WASP-121b, un gigante gaseoso masivo de casi el doble del tamaño de Júpiter. El planeta es un Júpiter ultracaliente y fue descubierto en 2015 orbitando una estrella a unos 850 años luz de la Tierra. WASP-121b tiene una de las órbitas más cortas detectadas hasta la fecha, dando la vuelta a su estrella en solo 30 horas. También está bloqueada por mareas, de modo que su lado «día» que mira hacia la estrella se asa permanentemente, mientras que su lado «nocturno» se vuelve para siempre hacia el espacio.

«Los Júpiter calientes son famosos por tener lados diurnos muy brillantes, pero el lado nocturno es una bestia diferente. El lado nocturno de WASP-121b es unas 10 veces más débil que el lado diurno», dice Tansu Daylan, postdoctorado de TESS en el MIT y coautor el estudio.

Los astrónomos habían detectado previamente vapor de agua y estudiado cómo cambia la temperatura atmosférica con la altitud en el lado diurno del planeta.

El nuevo estudio captura una imagen mucho más detallada. Los investigadores pudieron mapear los dramáticos cambios de temperatura del lado diurno al nocturno y ver cómo estas temperaturas cambian con la altitud. También rastrearon la presencia de agua a través de la atmósfera para mostrar, por primera vez, cómo circula el agua entre los lados diurno y nocturno de un planeta.

Mientras que en la Tierra, el agua circula primero evaporándose, luego condensándose en nubes y luego lloviendo, en WASP-121b, el ciclo del agua es mucho más intenso: en el lado diurno, los átomos que forman el agua se rompen a temperaturas superiores a 3000 Kelvin. Estos átomos son arrastrados hacia el lado nocturno, donde las temperaturas más frías permiten que los átomos de hidrógeno y oxígeno se recombinen en moléculas de agua, que luego regresan al lado diurno, donde el ciclo comienza nuevamente.

El equipo calcula que el ciclo del agua del planeta está sostenido por vientos que azotan los átomos alrededor del planeta a velocidades de hasta 5 kilómetros por segundo, o más de 11 000 millas por hora.

También parece que el agua no es la única que circula por el planeta. Los astrónomos descubrieron que el lado nocturno es lo suficientemente frío como para albergar nubes exóticas de hierro y corindón, un mineral que forma rubíes y zafiros. Estas nubes, como el vapor de agua, pueden girar hacia el lado diurno, donde las altas temperaturas vaporizan los metales en forma de gas. En el camino, se pueden producir lluvias exóticas, como gemas líquidas de las nubes de corindón.

«Con esta observación, realmente estamos obteniendo una visión global de la meteorología de un exoplaneta», dice Mikal-Evans.

Los coautores del estudio incluyen colaboradores del MIT, la Universidad Johns Hopkins, Caltech y otras instituciones.

Día y noche

El equipo observó WASP-121b usando una cámara espectroscópica a bordo del Telescopio Espacial Hubble de la NASA. El instrumento observa la luz de un planeta y su estrella, y descompone esa luz en sus longitudes de onda constituyentes, cuyas intensidades dan a los astrónomos pistas sobre la temperatura y la composición de una atmósfera.

A través de estudios espectroscópicos, los científicos han observado detalles atmosféricos en los lados diurnos de muchos exoplanetas. Pero hacer lo mismo para el lado nocturno es mucho más complicado, ya que requiere observar pequeños cambios en todo el espectro del planeta mientras gira alrededor de su estrella.

Para el nuevo estudio, el equipo observó WASP-121b a lo largo de dos órbitas completas, una en 2018 y la otra en 2019. Para ambas observaciones, los investigadores buscaron en los datos de luz una línea específica o característica espectral que indicara la presencia de vapor de agua

«Vimos esta característica del agua y mapeamos cómo cambiaba en diferentes partes de la órbita del planeta», dice Mikal-Evans. «Eso codifica información sobre la temperatura de la atmósfera del planeta en función de la altitud».

La característica de agua cambiante ayudó al equipo a mapear el perfil de temperatura tanto del lado diurno como del nocturno. Descubrieron que el lado diurno varía desde 2500 Kelvin en su capa observable más profunda hasta 3500 Kelvin en sus capas superiores. El lado nocturno osciló entre 1.800 Kelvin en su capa más profunda y 1.500 Kelvin en su atmósfera superior. Curiosamente, los perfiles de temperatura parecían cambiar, subiendo con la altitud en el lado diurno (una «inversión térmica», en términos meteorológicos) y cayendo con la altitud en el lado nocturno.

Luego, los investigadores pasaron los mapas de temperatura a través de varios modelos para identificar los productos químicos que probablemente existan en la atmósfera del planeta, dadas las altitudes y temperaturas específicas. Este modelo reveló el potencial de nubes de metal, como hierro, corindón y titanio en el lado nocturno.

A partir de su mapeo de temperatura, el equipo también observó que la región más caliente del planeta se desplaza hacia el este de la región «subestelar» directamente debajo de la estrella. Dedujeron que este cambio se debe a los vientos extremos.

«El gas se calienta en el punto subestelar, pero es expulsado hacia el este antes de que pueda volver a irradiarse al espacio», explica Mikal-Evans.

A partir del tamaño del cambio, el equipo estima que la velocidad del viento es de alrededor de 5 kilómetros por segundo.

«Estos vientos son mucho más rápidos que nuestra corriente en chorro y probablemente puedan mover las nubes por todo el planeta en aproximadamente 20 horas», dice Daylan, quien dirigió el trabajo anterior en el planeta utilizando la misión TESS dirigida por el MIT de la NASA.

Los astrónomos han reservado tiempo en el Telescopio Espacial James Webb para observar WASP-121b a finales de este año, y esperan mapear los cambios no solo en el vapor de agua sino también en el monóxido de carbono, que los científicos sospechan que debería residir en la atmósfera.

«Esa sería la primera vez que podríamos medir una molécula que contiene carbono en la atmósfera de este planeta», dice Mikal-Evans. «La cantidad de carbono y oxígeno en la atmósfera proporciona pistas sobre dónde se forman este tipo de planetas».

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