Estudio: los astrónomos corren el riesgo de malinterpretar las señales planetarias en los datos de James Webb


El telescopio espacial James Webb de la NASA está revelando el universo con una claridad espectacular y sin precedentes. La visión infrarroja ultranítida del observatorio ha atravesado el polvo cósmico para iluminar algunas de las primeras estructuras del universo, junto con viveros estelares previamente oscurecidos y galaxias giratorias que se encuentran a cientos de millones de años luz de distancia.

Además de ver más lejos en el universo que nunca antes, Webb capturará la vista más completa de los objetos en nuestra propia galaxia, es decir, algunos de los 5000 planetas que se han descubierto en la Vía Láctea. Los astrónomos están aprovechando la precisión de análisis de luz del telescopio para descifrar las atmósferas que rodean algunos de estos mundos cercanos. Las propiedades de sus atmósferas podrían dar pistas sobre cómo se formó un planeta y si alberga signos de vida.

Pero un nuevo estudio del MIT sugiere que las herramientas que los astrónomos suelen usar para decodificar las señales basadas en la luz pueden no ser lo suficientemente buenas para interpretar con precisión los datos del nuevo telescopio. Específicamente, los modelos de opacidad, las herramientas que modelan cómo la luz interactúa con la materia en función de las propiedades de la materia, pueden necesitar un ajuste significativo para que coincidan con la precisión de los datos de Webb, dicen los investigadores.

Si estos modelos no son refinados? Los investigadores predicen que las propiedades de las atmósferas planetarias, como su temperatura, presión y composición elemental, podrían estar desfasadas en un orden de magnitud.

«Existe una diferencia científicamente significativa entre un compuesto como el agua que está presente en un 5 % frente a un 25 %, que los modelos actuales no pueden diferenciar», dice el codirector del estudio Julien de Wit, profesor asistente en el Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias del MIT. (EPAS).

Esta imagen muestra el exoplaneta HIP 65426 b en diferentes bandas de luz infrarroja, visto desde el telescopio espacial James Webb: el violeta muestra la vista del instrumento NIRCam a 3,00 micrómetros, el azul muestra la vista del instrumento NIRCam a 4,44 micrómetros, el amarillo muestra la vista del instrumento MIRI a 11,4 micrómetros, y el rojo muestra la vista del instrumento MIRI a 15,5 micrómetros. Estas imágenes se ven diferentes debido a las formas en que los diferentes instrumentos Webb capturan la luz. Un conjunto de máscaras dentro de cada instrumento, llamado coronógrafo, bloquea la luz de la estrella anfitriona para que se pueda ver el planeta. La pequeña estrella blanca en cada imagen marca la ubicación de la estrella anfitriona HIP 65426, que se ha sustraído utilizando los coronógrafos y el procesamiento de imágenes. Las formas de barra en las imágenes de NIRCam son artefactos de la óptica del telescopio, no objetos en la escena. Crédito: NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), el equipo ERS 1386 y A. Pagan (STScI).

«Actualmente, el modelo que usamos para descifrar la información espectral no está a la altura de la precisión y la calidad de los datos que tenemos del telescopio James Webb», agrega el estudiante graduado de EAPS, Prajwal Niraula. «Necesitamos mejorar nuestro juego y abordar juntos el problema de la opacidad».

De Wit, Niraula y sus colegas han publicado su estudio en Nature Astronomy. Los coautores incluyen a los expertos en espectroscopia Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva y Roman Kochanov del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica.

Subir de nivel

La opacidad es una medida de la facilidad con la que los fotones atraviesan un material. Los fotones de ciertas longitudes de onda pueden pasar directamente a través de un material, ser absorbidos o reflejados, dependiendo de si interactúan con ciertas moléculas dentro de un material y cómo lo hacen. Esta interacción también depende de la temperatura y la presión del material.

Un modelo de opacidad funciona sobre la base de varias suposiciones de cómo la luz interactúa con la materia. Los astrónomos usan modelos de opacidad para derivar ciertas propiedades de un material, dado el espectro de luz que emite el material. En el contexto de los exoplanetas, un modelo de opacidad puede decodificar el tipo y la abundancia de sustancias químicas en la atmósfera de un planeta, en función de la luz del planeta que capta un telescopio.

De Wit dice que el actual modelo de opacidad de última generación, que él compara con una herramienta de traducción de lenguaje clásico, ha hecho un trabajo decente al decodificar datos espectrales tomados por instrumentos como los del Telescopio Espacial Hubble.

«Hasta ahora, este Rosetta Stone ha funcionado bien», dice de Wit. «Pero ahora que vamos al siguiente nivel con la precisión de Webb, nuestro proceso de traducción nos impedirá captar sutilezas importantes, como las que marcan la diferencia entre que un planeta sea habitable o no».

Luz, perturbado

Él y sus colegas hacen hincapié en este punto en su estudio, en el que pusieron a prueba el modelo de opacidad más utilizado. El equipo buscó qué propiedades atmosféricas derivaría el modelo si se ajustara para asumir ciertas limitaciones en nuestra comprensión de cómo interactúan la luz y la materia. Los investigadores crearon ocho de estos modelos «perturbados». Luego alimentaron cada modelo, incluida la versión real, «espectros sintéticos», patrones de luz que fueron simulados por el grupo y similares a la precisión que vería el telescopio James Webb.

Ilustración del telescopio espacial James Webb. Créditos: NASA

Descubrieron que, basándose en los mismos espectros de luz, cada modelo perturbado producía predicciones de amplio alcance sobre las propiedades de la atmósfera de un planeta. Con base en su análisis, el equipo concluye que, si los modelos de opacidad existentes se aplican a los espectros de luz tomados por el telescopio Webb, chocarán contra un «muro de precisión». Es decir, no serán lo suficientemente sensibles para saber si un planeta tiene una temperatura atmosférica de 300 Kelvin o 600 Kelvin, o si un determinado gas ocupa el 5% o el 25% de una capa atmosférica.

«Esa diferencia es importante para que podamos restringir los mecanismos de formación planetaria e identificar de manera confiable las firmas biológicas», dice Niraula.

El equipo también encontró que cada modelo también produjo un «buen ajuste» con los datos, lo que significa que, aunque un modelo perturbado produjo una composición química que los investigadores sabían que era incorrecta, también generó un espectro de luz de esa composición química que estaba cerca suficiente para, o «encajar» con el espectro original.

«Descubrimos que hay suficientes parámetros para modificar, incluso con un modelo incorrecto, para obtener un buen ajuste, lo que significa que no sabría que su modelo es incorrecto y lo que le dice es incorrecto», explica de Wit.

Él y sus colegas plantean algunas ideas sobre cómo mejorar los modelos de opacidad existentes, incluida la necesidad de más mediciones de laboratorio y cálculos teóricos para refinar los supuestos de los modelos sobre cómo interactúan la luz y varias moléculas, así como colaboraciones entre disciplinas y, en particular, entre la astronomía y la espectroscopia.

«Hay tanto que se podría hacer si supiéramos perfectamente cómo interactúan la luz y la materia», dice Niraula. «Sabemos lo suficientemente bien las condiciones de la Tierra, pero tan pronto como nos movemos a diferentes tipos de atmósferas, las cosas cambian, y eso es una gran cantidad de datos, con una calidad cada vez mayor, que corremos el riesgo de malinterpretar».

Con información del MIT

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