Con sus segmentos de espejo bellamente alineados y sus instrumentos científicos en proceso de calibración, el Telescopio Espacial James Webb de la NASA está a solo unas semanas de estar en pleno funcionamiento. Poco después de que se revelen las primeras observaciones este verano, comenzará la ciencia en profundidad de Webb.
Entre las investigaciones previstas para el primer año se encuentran los estudios de dos exoplanetas calientes clasificados como «súper-Tierras» por su tamaño y composición rocosa: el 55 Cancri e cubierto de lava y el LHS 3844 b sin aire. Los investigadores entrenarán los espectrógrafos de alta precisión de Webb en estos planetas con miras a comprender la diversidad geológica de los planetas en toda la galaxia y la evolución de los planetas rocosos como la Tierra.
Super-caliente super-tierra 55 Cancri e
55 Cancri e orbita a menos de 1,5 millones de millas de su estrella similar al Sol (una veinticinco parte de la distancia entre Mercurio y el Sol), completando un circuito en menos de 18 horas. Con temperaturas superficiales muy por encima del punto de fusión de los típicos minerales formadores de rocas, se cree que el lado diurno del planeta está cubierto de océanos de lava.
Se supone que los planetas que orbitan tan cerca de su estrella están bloqueados por mareas, con un lado mirando hacia la estrella en todo momento. Como resultado, el punto más caliente del planeta debería ser el que esté más directamente frente a la estrella, y la cantidad de calor procedente del lado diurno no debería cambiar mucho con el tiempo.
Pero este no parece ser el caso. Las observaciones de 55 Cancri e del telescopio espacial Spitzer de la NASA sugieren que la región más caliente está desplazada de la parte que mira a la estrella más directamente, mientras que la cantidad total de calor detectada en el lado diurno varía.
¿55 Cancri e tiene una atmósfera espesa?
Una explicación para estas observaciones es que el planeta tiene una atmósfera dinámica que mueve el calor. «55 Cancri e podría tener una atmósfera densa dominada por oxígeno o nitrógeno», explicó Renyu Hu del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California, quien lidera un equipo que utilizará la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) de Webb y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI). ) para capturar el espectro de emisión térmica del lado diurno del planeta. «Si tiene una atmósfera, [Webb] tiene la sensibilidad y el rango de longitud de onda para detectarlo y determinar de qué está hecho», agregó Hu.
¿O está lloviendo lava por la tarde en 55 Cancri e?
Sin embargo, otra posibilidad intrigante es que 55 Cancri e no esté bloqueado por mareas. En cambio, puede ser como Mercurio, girando tres veces por cada dos órbitas (lo que se conoce como resonancia 3:2). Como resultado, el planeta tendría un ciclo día-noche.
«Eso podría explicar por qué se desplaza la parte más caliente del planeta», explicó Alexis Brandeker, investigador de la Universidad de Estocolmo que dirige otro equipo que estudia el planeta. «Al igual que en la Tierra, la superficie tardaría un tiempo en calentarse. El momento más caluroso del día sería por la tarde, no justo al mediodía».
El equipo de Brandeker planea probar esta hipótesis utilizando NIRCam para medir el calor emitido por el lado iluminado de 55 Cancri e durante cuatro órbitas diferentes. Si el planeta tiene una resonancia de 3:2, observarán cada hemisferio dos veces y deberían poder detectar cualquier diferencia entre los hemisferios.
En este escenario, la superficie se calentaría, se derretiría e incluso se vaporizaría durante el día, formando una atmósfera muy delgada que Webb podría detectar. Por la noche, el vapor se enfriaría y se condensaría para formar gotas de lava que lloverían de regreso a la superficie, volviendo a solidificarse al caer la noche.
Supertierra algo más fría LHS 3844 b
Mientras que 55 Cancri e proporcionará información sobre la geología exótica de un mundo cubierto de lava, LHS 3844 b brinda una oportunidad única para analizar la roca sólida en la superficie de un exoplaneta.
Al igual que 55 Cancri e, LHS 3844 b orbita extremadamente cerca de su estrella, completando una revolución en 11 horas. Sin embargo, debido a que su estrella es relativamente pequeña y fría, el planeta no está lo suficientemente caliente como para que la superficie se derrita. Además, las observaciones de Spitzer indican que es muy poco probable que el planeta tenga una atmósfera sustancial.
¿De qué está hecha la superficie de LHS 3844 b?
Si bien no podremos obtener imágenes de la superficie de LHS 3844 b directamente con Webb, la falta de una atmósfera de oscurecimiento hace posible estudiar la superficie con espectroscopia.
«Resulta que diferentes tipos de roca tienen espectros diferentes», explicó Laura Kreidberg del Instituto Max Planck de Astronomía. «Puedes ver con tus ojos que el granito es de color más claro que el basalto. Hay diferencias similares en la luz infrarroja que emiten las rocas».
El equipo de Kreidberg utilizará MIRI para capturar el espectro de emisión térmica del lado diurno de LHS 3844 b y luego lo comparará con espectros de rocas conocidas, como basalto y granito, para determinar su composición. Si el planeta es volcánicamente activo, el espectro también podría revelar la presencia de trazas de gases volcánicos.
La importancia de estas observaciones va mucho más allá de solo dos de los más de 5000 exoplanetas confirmados en la galaxia. «Nos darán nuevas perspectivas fantásticas sobre los planetas similares a la Tierra en general, ayudándonos a aprender cómo podría haber sido la Tierra primitiva cuando hacía calor como lo son estos planetas hoy», dijo Kreidberg.
Estas observaciones de 55 Cancri e y LHS 3844 b se realizarán como parte del programa de Observadores Generales del Ciclo 1 de Webb. Los programas de Observadores Generales se seleccionaron de forma competitiva mediante un sistema de revisión anónimo dual, el mismo sistema utilizado para asignar tiempo en Hubble.
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