Desde que se descubrió el primer planeta que orbitaba una estrella distinta del sol en 1995, nos hemos dado cuenta de que los planetas y los sistemas planetarios son más diversos de lo que jamás imaginamos. Estos mundos distantes, los exoplanetas, nos brindan la oportunidad de estudiar cómo se comportan los planetas en diferentes situaciones. Y aprender sobre sus atmósferas es una pieza crucial del rompecabezas.
El telescopio espacial James Webb de la NASA (JWST) es el telescopio más grande del espacio. Lanzado el día de Navidad de 2021, es la herramienta perfecta para investigar estos mundos. Ahora mis colegas y yo hemos usado el telescopio por primera vez para revelar la composición química de un exoplaneta. Y los datos, publicados en forma de preimpresión (lo que significa que aún no se han publicado en una revista revisada por pares), sugieren algunos resultados sorprendentes.
Muchos exoplanetas están demasiado cerca de sus estrellas madre para que incluso este poderoso telescopio pueda distinguirlos. Pero podemos usar el truco de observar cómo el planeta pasa frente a (tránsito) su estrella. Durante el tránsito, el planeta bloquea una pequeña fracción de la luz de las estrellas, y una fracción aún más pequeña de la luz de las estrellas se filtra a través de las capas exteriores de la atmósfera del planeta.
Los gases dentro de la atmósfera absorben parte de la luz, dejando huellas en la luz de las estrellas en forma de una reducción del brillo en ciertos colores o longitudes de onda. JWST es particularmente adecuado para estudios de atmósfera de exoplanetas porque es un telescopio infrarrojo. La mayoría de los gases que se encuentran en la atmósfera, como el vapor de agua y el dióxido de carbono, absorben la luz infrarroja en lugar de la luz visible.
Soy parte de un equipo internacional de científicos de exoplanetas que ha estado usando JSTW para estudiar un planeta del tamaño de Júpiter llamado WASP-39b. Sin embargo, a diferencia de Júpiter, este mundo tarda solo unos días en orbitar su estrella, por lo que se está cocinando, alcanzando temperaturas que superan los 827°C. Esto nos brinda la oportunidad perfecta para explorar cómo se comporta una atmósfera planetaria en condiciones de temperatura extrema.
Usamos JWST para recuperar el espectro más completo hasta ahora de este fascinante planeta. De hecho, nuestro trabajo representa el primer inventario químico de la atmósfera del planeta.
Ya sabíamos que la mayor parte de la atmósfera de este gran planeta tenía que ser una mezcla de hidrógeno y helio, los gases más ligeros y abundantes del universo. Y el telescopio Hubble ha detectado previamente allí vapor de agua, sodio y potasio.
Tener mediciones de cuánto de cada uno de estos gases está presente en la atmósfera significa que podemos estimar las cantidades relativas de los elementos que componen los gases: hidrógeno, oxígeno, carbono y azufre. Los planetas se forman en un disco de polvo y gas alrededor de una estrella joven, y esperamos que diferentes cantidades de estos elementos estén disponibles para un planeta bebé a diferentes distancias de la estrella.
WASP-39b parece tener una cantidad relativamente baja de carbono en relación con el oxígeno, lo que indica que probablemente se formó a una distancia mayor de la estrella, donde podría haber absorbido fácilmente el hielo de agua del disco (aumentando su oxígeno), en comparación con su actual muy cerca. orbita. Si este planeta ha migrado, podría ayudarnos a desarrollar nuestras teorías sobre la formación de planetas y respaldaría la idea de que los planetas gigantes de nuestro Sistema Solar también se movieron y sacudieron bastante desde el principio.
Una llave sulfurosa
La cantidad de azufre que detectamos en relación con el oxígeno es bastante alta para WASP-39b. Esperaríamos que el azufre en un sistema planetario joven estuviera más concentrado en trozos de roca y escombros que como gas atmosférico. Entonces, esto indica que WASP-39b podría haber sufrido una cantidad inusual de colisiones con trozos de roca que contienen azufre. Parte de ese azufre se liberaría como gas.
En la atmósfera de un planeta, diferentes sustancias químicas reaccionan entre sí a diferentes velocidades dependiendo de qué tan caliente esté. Por lo general, estos se asientan en un estado de equilibrio, en el que las cantidades totales de cada gas permanecen estables a medida que las reacciones se equilibran entre sí. Logramos predecir qué gases veríamos en la atmósfera de WASP-39b para una variedad de puntos de partida. Pero a ninguno de ellos se le ocurrió dióxido de azufre, sino que esperaba que el azufre quedara encerrado en un gas diferente, el sulfuro de hidrógeno.
La pieza que faltaba en el rompecabezas químico era un proceso llamado fotoquímica. Esto es cuando las tasas de ciertas reacciones químicas son impulsadas por la energía de los fotones (paquetes de luz) que provienen de la estrella, en lugar de la temperatura de la atmósfera. Debido a que WASP-39b es tan caliente y las reacciones generalmente se aceleran a temperaturas más altas, no esperábamos que la fotoquímica fuera tan importante como resultó ser.
Los datos sugieren que el vapor de agua en la atmósfera se divide por la luz en oxígeno e hidrógeno. Estos productos luego reaccionarían con el sulfuro de hidrógeno gaseoso, eliminando eventualmente el hidrógeno y reemplazándolo con oxígeno para formar dióxido de azufre.
¿Qué sigue para JWST?
La fotoquímica es aún más importante en los planetas más fríos que pueden ser habitables: la capa de ozono en nuestro propio planeta se forma a través de un proceso fotoquímico. JWST observará los mundos rocosos en el sistema Trappist-1 durante su primer año de funcionamiento. Algunas de estas medidas ya se han realizado, y todos estos planetas tienen temperaturas más similares a las de la Tierra.
Algunos incluso pueden tener la temperatura adecuada para tener agua líquida en la superficie y potencialmente vida. Tener una buena comprensión de cómo la fotoquímica influye en la composición atmosférica será fundamental para interpretar las observaciones del telescopio Webb del sistema Trappist-1. Esto es especialmente importante ya que un aparente desequilibrio químico en una atmósfera podría insinuar la presencia de vida, por lo que debemos ser conscientes de otras posibles explicaciones para esto.
El inventario de productos químicos WASP-39b nos ha demostrado cuán poderosa es la herramienta JWST. Estamos al comienzo de una era muy emocionante en la ciencia de los exoplanetas, así que estad atentos.
Con información de Phys.org
