En la constelación de Virgo, a 700 años luz de la Tierra, el planeta WASP-39b orbita alrededor de la estrella WASP-39. El gigante gaseoso, que tarda poco más de cuatro días en completar una órbita, es uno de los exoplanetas mejor estudiados. Poco después de su puesta en servicio en julio de 2022, el telescopio espacial James Webb de la NASA dirigió su mirada de alta precisión hacia el lejano planeta.
Los datos revelaron evidencia de grandes cantidades de vapor de agua, metano e incluso, por primera vez, dióxido de carbono en la atmósfera de WASP-39b. Es una sensación menor, pero aún queda un inconveniente: los investigadores aún no han logrado reproducir todos los detalles cruciales de las observaciones en los cálculos del modelo. Esto obstaculiza un análisis aún más preciso de los datos.
En el nuevo estudio dirigido por el MPS, los autores, incluidos investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.), el Instituto Científico del Telescopio Espacial (EE.UU.), la Universidad de Keele (Reino Unido) y la Universidad de Heidelberg (Alemania), muestran una manera de superar este obstáculo.
«Los problemas que surgen al interpretar los datos de WASP-39b son bien conocidos en muchos otros exoplanetas, independientemente de si se observan con Kepler, TESS, James Webb o la futura nave espacial PLATO», explica la científica del MPS, la Dra. Nadiia Kostogryz, primera autora. del nuevo estudio. «Al igual que con otras estrellas orbitadas por exoplanetas, la curva de luz observada en WASP-39 es más plana de lo que los modelos anteriores pueden explicar».
Los investigadores definen una curva de luz como una medida del brillo de una estrella durante un período de tiempo más largo. El brillo de una estrella fluctúa constantemente, por ejemplo, porque su luminosidad está sujeta a fluctuaciones naturales. Los exoplanetas también pueden dejar huellas en la curva de luz. Si un exoplaneta pasa por delante de su estrella vista por un observador, su luz se atenúa.
Esto se refleja en la curva de luz como una caída de luminosidad que se repite periódicamente. Las evaluaciones precisas de dichas curvas proporcionan información sobre el tamaño y el período orbital del planeta. Los investigadores también pueden obtener información sobre la composición de la atmósfera del planeta si la luz de la estrella se divide en sus diferentes longitudes de onda o colores.
Una mirada de cerca a la distribución del brillo de una estrella
El borde de una estrella, el borde del disco estelar, juega un papel decisivo en la interpretación de su curva luminosa. Al igual que en el caso del sol, el borde aparece más oscuro para el observador que la zona interior. Sin embargo, la estrella no brilla menos en el exterior. «Como la estrella es una esfera y su superficie es curvada, en la extremidad observamos capas más altas y, por tanto, más frías que en el centro», explica el coautor y director de MPS, el Prof. Dr. Laurent Gizon. «Por lo tanto, esta zona nos parece más oscura», añade.
Se sabe que el oscurecimiento de las extremidades influye en la forma exacta de la señal del exoplaneta en la curva de luz: el oscurecimiento determina con qué intensidad cae el brillo de una estrella durante un tránsito planetario y luego vuelve a subir. Sin embargo, no ha sido posible reproducir con precisión los datos de observación utilizando modelos convencionales de la atmósfera estelar. La disminución del brillo siempre fue menos abrupta de lo que sugerían los cálculos del modelo.
«Estaba claro que nos faltaba una pieza crucial del rompecabezas para comprender con precisión la señal de los exoplanetas», dice el director del MPS, el Prof. Dr. Sami Solanki, coautor del estudio actual.
El campo magnético es la pieza que falta del rompecabezas
Como muestran los cálculos publicados hoy, la pieza que falta del rompecabezas es el campo magnético estelar. Al igual que el Sol, muchas estrellas generan un campo magnético en lo profundo de su interior a través de enormes flujos de plasma caliente. Por primera vez, los investigadores pudieron incluir el campo magnético en sus modelos de oscurecimiento de las extremidades.
Pudieron demostrar que la intensidad del campo magnético tiene un efecto importante: el oscurecimiento de las extremidades es pronunciado en estrellas con un campo magnético débil, mientras que es más débil en aquellas con un campo magnético fuerte.
Los investigadores también pudieron demostrar que la discrepancia entre los datos de observación y los cálculos del modelo desaparece si se incluye el campo magnético de la estrella en los cálculos. Para ello, el equipo recurrió a datos seleccionados del Telescopio Espacial Kepler de la NASA, que capturó la luz de miles y miles de estrellas entre 2009 y 2018.
En el primer paso, los científicos modelaron la atmósfera de las estrellas típicas de Kepler en presencia de un campo magnético. En un segundo paso, generaron datos de observación «artificiales» a partir de estos cálculos. Como muestra la comparación con los datos reales, al incluir el campo magnético, los datos de Kepler se reproducen con éxito.
El equipo también amplió sus consideraciones a los datos del Telescopio Espacial James Webb. El telescopio es capaz de dividir la luz de estrellas distantes en sus distintas longitudes de onda y así buscar los signos característicos de determinadas moléculas en la atmósfera de los planetas descubiertos.
Resulta que el campo magnético de la estrella madre influye en el oscurecimiento del limbo estelar de manera diferente en diferentes longitudes de onda y, por lo tanto, debería tenerse en cuenta en futuras evaluaciones para lograr resultados aún más precisos.
De telescopios a modelos
«En las últimas décadas y años, la manera de avanzar en la investigación de exoplanetas era mejorar el hardware, los telescopios espaciales diseñados para buscar y caracterizar nuevos mundos. El telescopio espacial James Webb ha llevado este desarrollo a nuevos límites», afirma el Dr. Alexander Shapiro, coautor del estudio actual y jefe de un grupo de investigación del MPS. «El siguiente paso ahora es mejorar y refinar los modelos para interpretar estos excelentes datos», añade.
Para seguir avanzando en este desarrollo, los investigadores quieren ahora ampliar sus análisis a estrellas claramente diferentes del Sol. Además, sus hallazgos ofrecen la posibilidad de utilizar las curvas de luz de estrellas con exoplanetas para inferir la fuerza del campo magnético estelar, que de otro modo suele ser difícil de medir.
La investigación se publica en la revista Nature.
