Hoja de ruta detalla cómo mejorar la exploración de exoplanetas con el James Webb

El lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA en 2021 inició una nueva y emocionante era para la investigación de exoplanetas, especialmente para los científicos que observan planetas terrestres que orbitan estrellas distintas a nuestro sol. Pero tres años después de la misión del telescopio, algunos científicos se han topado con desafíos que han frenado el progreso.

En un artículo reciente publicado en Nature Astronomy, la Iniciativa Comunitaria TRAPPIST-1 JWST establece una hoja de ruta paso a paso para superar los desafíos que enfrentaron mientras estudiaban el sistema TRAPPIST-1 mejorando la eficiencia de la recopilación de datos en beneficio de la comunidad astronómica. en general.

«Toda una comunidad de expertos se reunió para abordar estos complejos desafíos interdisciplinarios para diseñar la primera estrategia de observación de varios años para darle al JWST la oportunidad de identificar mundos habitables a lo largo de su vida», dice Julien de Wit, profesor asociado en el Departamento de Ciencias del MIT. Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) y uno de los autores principales del artículo.

Oferta dos por uno

Ubicado a 41 años luz de la Tierra, el sistema TRAPPIST-1, con sus siete planetas, presenta una oportunidad única para estudiar un gran sistema con múltiples planetas de diferentes composiciones, similar a nuestro propio sistema solar.

«Es un objetivo de ensueño: no tienes uno, sino quizás tres planetas en la zona habitable, por lo que tienes una manera de compararlos en el mismo sistema», dice René Doyon de la Universidad de Montreal, quien codirigió el estudio con de ingenio. «Sólo hay un puñado de planetas rocosos templados bien caracterizados de los cuales podemos esperar detectar su atmósfera, y la mayoría de ellos están dentro del sistema TRAPPIST-1».

Astrónomos como De Wit y Doyon estudian las atmósferas de los exoplanetas mediante una técnica llamada espectroscopia de transmisión, donde observan la forma en que la luz de las estrellas pasa a través de la atmósfera potencial de un planeta para ver qué elementos están presentes. Los espectros de transmisión se recopilan cuando el planeta pasa frente a su estrella anfitriona.

Los planetas dentro del sistema TRAPPIST tienen períodos orbitales cortos. Como resultado, sus tránsitos frecuentemente se superponen. Los tiempos de observación del tránsito generalmente se asignan en períodos de cinco horas y, cuando se programan adecuadamente, cerca de la mitad de ellos pueden abarcar al menos dos tránsitos. Este «dos por uno» ahorra tiempo y dinero al tiempo que duplica la recopilación de datos.

Contaminación estelar

Las estrellas no son uniformes; sus superficies pueden variar en temperatura, creando puntos que pueden ser más calientes o más fríos. Moléculas como el vapor de agua pueden condensarse en lugares fríos e interferir con los espectros de transmisión. Información estelar como esta puede ser difícil de separar de la señal planetaria y dar indicaciones falsas de la composición atmosférica de un planeta, creando lo que se conoce como «contaminación estelar». Si bien a menudo se ha ignorado, las capacidades mejoradas del JWST han revelado los desafíos que presenta la contaminación estelar al estudiar las atmósferas planetarias.

El científico investigador de EAPS, Ben Rackham, se topó con estos desafíos cuando descarrilaron su doctorado inicial. Investigación de pequeños exoplanetas utilizando los Telescopios de Magallanes en Chile. Ahora ve que el mismo problema que encontró por primera vez cuando era estudiante de posgrado se repite con los nuevos datos del JWST.

«Como predijimos a partir de ese trabajo anterior con datos de telescopios terrestres, las primeras firmas espectrales que estamos obteniendo con JWST realmente no tienen ningún sentido en términos de interpretación planetaria», dice. «Las características no son las que esperaríamos ver y cambian de un tránsito a otro».

Rackham y David Berardo, postdoctorado en EAPS, han estado trabajando con De Wit en formas de corregir la contaminación estelar utilizando dos métodos diferentes: mejorar los modelos de espectros estelares y utilizar observaciones directas para derivar correcciones.

«Al observar una estrella mientras gira, podemos utilizar la sensibilidad del JWST para obtener una imagen más clara de cómo luce su superficie, lo que permitirá una medición más precisa de la atmósfera de los planetas que la transitan», dice Berardo. Esto, combinado con el estudio de tránsitos consecutivos como se propone en la hoja de ruta, recopila datos útiles sobre la estrella que pueden usarse para filtrar la contaminación estelar tanto de estudios futuros como de estudios pasados.

Más allá de TRAPPIST-1

La hoja de ruta actual nació de los esfuerzos de la Iniciativa Comunitaria TRAPPIST JWST para reunir programas separados centrados en planetas individuales, lo que les impidió aprovechar las ventanas óptimas de observación del tránsito.

«Comprendimos desde el principio que este esfuerzo ‘haría falta un pueblo’ para evitar las trampas de eficiencia de los pequeños programas de observación», dice de Wit. «Nuestra esperanza ahora es que se pueda iniciar un esfuerzo comunitario a gran escala guiado por la hoja de ruta para producir resultados a un ritmo oportuno».

De Wit espera que esto pueda dar como resultado la identificación de mundos habitables o habitables alrededor de TRAPPIST-1 dentro de una década.

Tanto de Wit como Doyon creen que el sistema TRAPPIST-1 es el mejor lugar para realizar investigaciones fundamentales sobre atmósferas de exoplanetas que se extenderán a estudios en otros sistemas. Doyon cree que «el sistema TRAPPIST-1 será útil no sólo para TRAPPIST-1 en sí, sino también para aprender a realizar una corrección muy precisa de la actividad estelar, lo que será beneficioso para muchos otros programas de espectroscopía de transmisión también afectados por la actividad estelar».

«Tenemos a nuestro alcance respuestas fundamentales y transformadoras con una hoja de ruta clara», dice de Wit. «Sólo tenemos que seguirlo con diligencia».

Con información de Nature