En la próxima década, los investigadores comenzarán a estudiar la atmósfera de planetas tan pequeños como la Tierra y Venus que orbitan alrededor de estrellas cercanas. Pero, aunque estos dos planetas del sistema solar son similares en tamaño y densidad aparente (por lo que algunos los llaman «gemelos»), sus atmósferas no se parecen en nada. ¿Serían capaces los científicos de diferenciarlos si los vieran a años luz de distancia?
Un equipo dirigido por el Instituto de Astrofísica y Ciencias Espaciales (IA) pretendió que Venus estaba muy lejos, en otro sistema planetario (un exoplaneta), y se preguntó qué tipo de información podrían extraer. Los resultados se publicaron en un artículo en la revista Atmosphere y demuestran que las técnicas que se utilizan para estudiar los grandes exoplanetas calientes se pueden aplicar de manera efectiva a aquellos con un diámetro diez veces menor.
También allana el camino para la identificación de marcadores que podrían discriminar entre atmósferas suaves dominadas por nitrógeno, como la de la Tierra, y aquellas compuestas principalmente de dióxido de carbono, como la atmósfera caliente y violenta de Venus.
«Las técnicas que se utilizan actualmente para estudiar las atmósferas de los exoplanetas son eficaces para los planetas gigantes cercanos a su estrella, es decir, con una atmósfera caliente. Sin embargo, es un desafío estudiar la atmósfera de cuerpos tan pequeños como la Tierra o Venus», dice el primer autor Alexandre Branco, estudiante de maestría en IA y la Facultad de Ciencias de la Universidad de Lisboa (Ciências ULisboa).
«Los objetivos más prometedores suelen estar bañados por un régimen de radiación estelar muy parecido al de Venus, por lo que es muy probable que los exoplanetas sean los primeros mundos pequeños en tener su atmósfera caracterizada. Nuestro trabajo tenía el objetivo de observar Venus como si estuviéramos viendo un exoplaneta».
Con décadas de otros estudios sobre Venus, los investigadores pudieron validar sus conclusiones. Además, muestran que las atmósferas de los cuerpos del sistema solar también pueden investigarse utilizando estas mismas técnicas para atmósferas distantes, para detectar en nuestros vecinos cercanos especies químicas de concentraciones muy bajas, difíciles de encontrar por otros medios.
Una oportunidad única
Para observar a Venus como un exoplaneta, el equipo analizó un conjunto de datos muy poco común, recopilados el 5 y el 6 de junio de 2012, la última vez en este siglo que Venus cruzó el disco de nuestro Sol, de forma muy similar a como se investigan las atmósferas de los exoplanetas cuando pasan frente a su estrella anfitriona desde nuestro punto de vista en la Tierra. Imprimen su presencia en la luz de la estrella a medida que pasa en su camino hacia la Tierra. Entre los rastros hay señales dejadas por moléculas en su atmósfera que indican a los astrofísicos de qué está hecha.
Esto es más difícil cuanto más pequeño es el planeta, pero está previsto que los nuevos instrumentos astronómicos comiencen a funcionar en la década de 2030, y exoplanetas del tamaño de la Tierra y Venus estarán a su alcance. Por lo tanto, las técnicas que ya se utilizan con éxito en grandes exoplanetas calientes deben probarse y calibrarse para estos casos más desafiantes, donde es probable que las señales relevantes sean demasiado pequeñas y estén ocultas en el ruido.
Al aplicar estas técnicas a los datos del tránsito de Venus frente al Sol, los investigadores validaron su uso futuro con potentes instalaciones como el Extremely Large Telescope (ELT) de ESO y la misión espacial Ariel de la Agencia Espacial Europea (ESA), proyectos en los que participan Portugal y la IA. Sin embargo, para discriminar entre mundos como la Tierra y otros como Venus, es necesario hacer más. Visto desde lejos, Venus podría confundirse con un planeta como el nuestro.
¿Será la primera «Tierra» lejana en realidad otra Venus infernal?
Debido a su concentración de dióxido de carbono, la atmósfera de Venus está sujeta a un efecto invernadero extremo que derrite el plomo en la superficie del planeta, y la presión alcanza ese nivel dentro de diversas botellas. De hecho, es probable que una atmósfera similar a la de Venus sea la primera en caracterizarse como un exoplaneta «del tamaño de la Tierra».
«Las altas temperaturas propias de los planetas rocosos con una atmósfera rica en dióxido de carbono, y por tanto sujetos a un intenso efecto invernadero, dan lugar a un entorno químicamente activo, con muchas transiciones químicas. Esto hace que este tipo de atmósfera sea fácil de detectar», afirma Pedro Machado, del IA y de Ciencias ULisboa, y segundo autor de este estudio.
El coautor Olivier Demangeon, del IA y de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Oporto (FCUP), añade: «La atmósfera de Venus es unas 90 veces más densa que la de la Tierra y también es significativamente más caliente. Tanto es así que, a pesar de ser más densa, la atmósfera de Venus es más grande. Tanto más grande como más densa implican una fuerte firma en nuestras observaciones. Detectamos algunas débiles firmas de dióxido de carbono en los datos de Venus que no se esperan en atmósferas similares a la de la Tierra. Sin embargo, todavía no es la forma más eficiente de diferenciar entre los dos planetas».
Resultados positivos también para los demás mundos del sistema solar
En 2012, Pedro Machado y su equipo participaron en las observaciones coordinadas de Venus para la campaña internacional cuando el planeta cruzó el disco solar en junio. También analizaron datos espectroscópicos recogidos en el Telescopio Solar Dunn (Observatorio Solar Nacional, Nuevo México, EE.UU.) utilizando el Facility Infrared Spectropolarimeter (FIRS). Los datos se refieren a la luz del Sol refractada por la atmósfera superior de Venus durante los momentos en que el borde del planeta tocó y, al final, liberó el disco solar.
«Hemos adaptado a un cuerpo del sistema solar las sofisticadas técnicas que se utilizan para estudiar la atmósfera de mundos increíblemente más lejanos», dice Pedro Machado, «y hemos demostrado que también se pueden utilizar para detectar componentes químicos menores en las atmósferas de nuestro sistema solar. Estamos preparando observaciones que se beneficiarán de esta técnica para sondear las atmósferas de Júpiter y Saturno cuando una estrella brillante pase por detrás de ellos, tal como se ve desde nuestros telescopios en la Tierra. Las misiones orbitales alrededor de Venus o Marte también han observado el Sol a través de sus atmósferas».
«Incluso hemos detectado las firmas claras de los isótopos de carbono y oxígeno en las moléculas de dióxido de carbono y monóxido de carbono», añade Machado. La cantidad de ciertos isótopos cambia con el tiempo y se utiliza para evaluar ambientes atmosféricos pasados de temperatura y presión y sus escalas de tiempo.
«Estimar las cantidades relativas de isótopos nos permite extraer conclusiones sobre la historia de cómo evolucionó Venus», dice Alexandre Branco.
Machado añade: «Esto es algo a lo que este trabajo contribuye muy claramente, y este es también uno de los objetivos de la próxima misión de la Agencia Espacial Europea a Venus, EnVision, en la que colaboran Portugal e IA: estudiar la evolución pasada de Venus».
El espectrógrafo ANDES, para el ELT de ESO, y la misión espacial Ariel de la ESA, ambos con contribuciones de IA en la ciencia y la tecnología, son dos instalaciones que impulsarán la investigación en otros mundos, y se beneficiarán de estudios en línea con el trabajo de este equipo.
Ariel permitirá estudiar la atmósfera de unos 1.000 exoplanetas ya conocidos, y para ello utilizará las mismas técnicas de observación y análisis que este equipo aplicó en este trabajo. Pedro Machado es miembro de la junta directiva del Consorcio Ariel y coordinador del grupo de trabajo Ariel que vincula el estudio de las atmósferas de los exoplanetas con el del sistema solar.
Con información de Atmosphere
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