Casi un tercio de los exoplanetas conocidos son gigantes gaseosos enormes, similares a Júpiter o Saturno. Pero mientras que nuestro sistema solar se desarrolló con gigantes gaseosos alejados de nuestro sol, algunos sistemas planetarios están formados por los llamados «Júpiter calientes, o incluso ultracalientes», que orbitan muy cerca de su estrella, algunos tan cerca como Mercurio del sol. Estos gigantes calientes y esponjosos soportan temperaturas extremas y a veces se los apoda «malvaviscos asados».
Como miembro del Programa de Malvaviscos Asados, Peter Smith, asociado de posgrado en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona, está examinando la química atmosférica de los Júpiter calientes y ultracalientes para aprender sobre los discos protoplanetarios a partir de los cuales se formaron.
Este programa utiliza el Espectrógrafo Infrarrojo de Rejilla de Inmersión (IGRINS), en el telescopio Gemini Sur en Chile, una de las mitades del Observatorio Internacional Gemini, operado por NSF NOIRLab.
Recientemente, el equipo observó el conocido gigante gaseoso WASP-121b, y sus observaciones revelaron algo inesperado sobre su historia de formación. Su investigación se presenta en un artículo que aparece en The Astronomical Journal.
Un sistema planetario se forma a partir de lo que se denomina un disco protoplanetario, un disco giratorio que contiene una mezcla de material rocoso y helado. Los materiales rocosos, como el hierro, el magnesio y el silicio, existen fácilmente en su estado solidificado y requieren niveles extremos de calor para vaporizarse en gas, mientras que los materiales helados, como el agua, el metano, el amoníaco y el monóxido de carbono, se vaporizan fácilmente y requieren temperaturas muy bajas para condensarse.
Debido a sus diferentes umbrales de temperatura, los materiales rocosos y helados dentro del disco se extienden en un gradiente, que varía de sólido a gas dependiendo de la distancia a la estrella.
Como resultado, los astrónomos pueden buscar firmas de estos elementos en la composición de los planetas y sus atmósferas, calcular la proporción de material rocoso y helado y determinar a qué distancia de su estrella se formó el planeta.
Para medir esta relación se requieren varias observaciones, utilizando un instrumento sensible a la luz visible para detectar los elementos rocosos sólidos y otro sensible a la luz infrarroja para detectar los elementos helados gaseosos. Pero como WASP-121b es un Júpiter ultracaliente con temperaturas extremas, ambos materiales se vaporizan en la atmósfera y son detectables con la alta resolución espectral de IGRINS.
Con estas observaciones, Smith y su equipo demostraron por primera vez que se puede medir la relación roca-hielo de un planeta en tránsito utilizando un solo instrumento.
Esta capacidad única que permite IGRINS elimina los posibles errores introducidos por las diferencias instrumentales y señala un camino optimista para el análisis químico de exoplanetas.
«Los datos terrestres de Gemini South utilizando IGRINS en realidad permitieron realizar mediciones más precisas de las abundancias químicas individuales de las que podrían haber logrado incluso los telescopios espaciales», dice Smith.
Los datos espectroscópicos muestran que WASP-121b tiene una alta relación roca-hielo, lo que indica que acumuló un exceso de material rocoso mientras se estaba formando. Esto sugiere que el planeta se formó en una región del disco protoplanetario donde hacía demasiado calor para que se condensaran los hielos, lo que es un descubrimiento sorprendente ya que generalmente se cree que los gigantes gaseosos necesitan hielos sólidos para formarse.
«Nuestras mediciones indican que quizás sea necesario reconsiderar esta visión típica y revisar nuestros modelos de formación de planetas», afirma Smith.
Smith y su equipo también encontraron características notables en la atmósfera de WASP-121b. «El clima de este planeta es extremo y no se parece en nada al de la Tierra», afirma.
El lado diurno del planeta es tan caluroso que los elementos que normalmente se consideran «metales» se vaporizan en la atmósfera, lo que los hace detectables mediante espectroscopia. Los fuertes vientos llevan estos metales al lado nocturno permanente del planeta, donde hace suficiente frío para que se condensen y lluevan, un efecto que se observó en WASP-121b en forma de lluvia de calcio.
«La sensibilidad de nuestros instrumentos está avanzando hasta el punto en que podemos usar estos elementos para sondear diferentes regiones, altitudes y longitudes para ver sutilezas como las velocidades del viento, lo que revela cuán dinámico es este planeta», afirma Smith.
IGRINS fue un instrumento visitante en Gemini Sur cuando Smith observó WASP-121b durante 2022 y 2023. Desde entonces, abandonó el telescopio para regresar a su institución de origen. El instrumento tuvo tanto éxito que se encargó una nueva versión del mismo, IGRINS-2, para el telescopio Gemini Norte en Hawái y ahora se encuentra en su fase de calibración científica.
Smith cita a IGRINS como un factor importante en las mediciones detalladas de la atmósfera de WASP-121b realizadas por su equipo, y espera ampliar estas investigaciones a otros sistemas exoplanetarios con IGRINS-2.
La construcción de una muestra más grande de atmósferas de Júpiter calientes y ultracalientes permitirá a los científicos refinar su conocimiento sobre cómo se forman los planetas gigantes.
Con información de The Astronomical Journal
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