Las nubes de rubí y el agua se comportan de manera extraña: lo que encontramos al estudiar el lado oscuro de un exoplaneta


Desde que los astrónomos descubrieron el primer planeta que orbita una estrella distinta del Sol, hemos encontrado muchos mundos que son muy diferentes a los de nuestro propio Sistema Solar. Un gran número de estos «exoplanetas» son grandes planetas gaseosos del tamaño aproximado de Júpiter, que orbitan cerca de sus estrellas madre una vez cada pocos días.

Aunque no podemos ver directamente estos «Júpiter calientes», porque están ocultos en el brillo de sus estrellas madre, son los planetas más fáciles de detectar usando el método de tránsito. Esto funciona infiriendo su presencia indirectamente cuando pasan frente a su estrella madre, bloqueando parte de la luz estelar.

Impresión de un artista del lado oscuro del ultra-caliente Júpiter WASP-121b. Crédito: Patricia Klein / MPIA, CC BY-SA

Durante el tránsito, también podemos medir la composición atmosférica detectando diferentes gases en la luz de las estrellas que se han filtrado a través de la atmósfera. Pero esto solo nos habla de las condiciones en una región del planeta. En un nuevo estudio del exoplaneta denominado WASP-121b, publicado en Nature Astronomy, hemos logrado investigar directamente la atmósfera global de un Júpiter caliente con un detalle sin precedentes.

Los planetas que orbitan muy cerca de sus estrellas madre están encerrados con un lado en luz diurna permanente y el otro en noche perpetua. Dependiendo exactamente de qué tan cerca esté esa órbita, el «lado diurno» puede alcanzar temperaturas extremadamente altas, a veces incluso superiores a las de las estrellas más frías. Podemos medir la temperatura del lado diurno calculando la diferencia en la cantidad total de luz entre la estrella y el planeta juntos y la estrella sola.

WASP-121b fue descubierto por el telescopio SuperWASP en 2015. Su lado diurno alcanza temperaturas de más de 2500 K (2226,85 °C). Los planetas gigantes gaseosos están hechos en gran parte de hidrógeno molecular y helio, con pequeñas trazas de otros gases, como el vapor de agua. Sin embargo, a temperaturas tan extremas, las moléculas pueden comenzar a dividirse en átomos separados, y los electrones pueden incluso ser arrancados del núcleo atómico, lo que lleva a una química atmosférica que es drásticamente diferente de lo que vemos en otros planetas.

Sin embargo, una gran pregunta es qué sucede en el «lado oscuro» oscuro de un planeta ultracaliente como WASP-121b. Este lado no recibe la luz de las estrellas, pero mira para siempre a las heladas profundidades del espacio. La única forma en que puede calentarse es mediante los vientos en la atmósfera del planeta que transportan el calor del lado diurno. Sin embargo, incluso con vientos muy fuertes, esperamos que haya enormes diferencias de temperatura entre los lados diurno y nocturno de los planetas más calientes, y es probable que eso también tenga efectos colaterales para los procesos químicos en la atmósfera.

La única forma de averiguar qué está pasando en el lado oscuro es intentar observar el planeta y la estrella juntos durante al menos una órbita completa. Luego podemos medir los cambios muy pequeños en la luz que proviene del sistema en diferentes longitudes de onda, a medida que las diferentes caras del planeta giran a la vista.

La única forma de averiguar qué está pasando en el lado oscuro es intentar observar el planeta y la estrella juntos durante al menos una órbita completa. Luego podemos medir los cambios muy pequeños en la luz que proviene del sistema en diferentes longitudes de onda, a medida que las diferentes caras del planeta giran a la vista.

Esto nos permite mapear la capa de gas superficial del planeta y comparar las condiciones durante el día y la noche. Por el momento, solo es posible para un puñado de planetas, porque las señales que estamos buscando son muy pequeñas. Pero deberíamos poder aplicarlo más ampliamente con el recién lanzado Telescopio Espacial James Webb (JWST).

Nuestro equipo pudo realizar esta medición de WASP-121b al observar dos órbitas completas del planeta utilizando el telescopio espacial Hubble. Usamos un instrumento en el Hubble que analiza la parte del infrarrojo cercano del espectro de luz, que es sensible al vapor de agua dentro de la atmósfera del planeta. Comparamos las observaciones en cada fase de la órbita con modelos generados por computadora para medir la cantidad de vapor de agua presente y la temperatura a diferentes alturas en esa parte de la atmósfera.

Ciclo del agua y nubes

Descubrimos que las temperaturas entre el día y la noche diferían en más de 1000 °C, desde alrededor de 1500 K (1226,85 °C) en el lado nocturno hasta más de 2500 K (2226,85 °C) en altitudes más altas en el lado diurno. Debido a la diferencia extrema de temperatura, la cantidad de vapor de agua en lo alto del lado diurno se reduce en comparación con el lado nocturno: las moléculas se rompen bajo las temperaturas extremas del lado diurno, pero se recombinan cuando el aire se enfría a medida que avanza hacia el lado nocturno.

Esquema de un planeta alrededor de su estrella y la luz proveniente del sistema según su posición. Crédito: ESA

Esto significa que WASP-121b tiene algo parecido a un ciclo de agua. Pero en lugar de que el agua se condense en líquido y forme nubes antes de evaporarse como gas, como ocurre en la Tierra, en WASP-121b son las moléculas de agua las que se destruyen y luego se reforman.

Eso no quiere decir que no haya nubes. Al menos en el lado nocturno, el planeta es lo suficientemente frío como para que los minerales (compuestos que generalmente se encuentran en la roca sólida de la Tierra, pero que se han detectado como gases en las atmósferas de los planetas ultracalientes) se condensen y formen nubes. El cielo en el lado oscuro de WASP-121b puede incluso estar salpicado de rubíes o zafiros, ya que nuestras mediciones revelan que la atmósfera tiene la temperatura adecuada para que el corindón mineral que forma piedras preciosas se condense en pequeñas partículas de polvo.

Observar el ciclo del agua de WASP-121b ayuda a confirmar algunas de nuestras predicciones sobre planetas extremadamente calientes y también nos brinda la oportunidad de aprender más sobre cómo se comportan las atmósferas en estas condiciones. El siguiente paso es realizar las mismas mediciones para más planetas y comparar los resultados que vemos. Esperamos hacer exactamente eso con JWST, además de repetir nuestras mediciones para WASP-121b para obtener una imagen aún más clara.

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