Las observaciones con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) han proporcionado nuevas pistas sobre cómo se formó el exoplaneta WASP-121b y dónde podría haberse originado en el disco de gas y polvo que rodea a su estrella. Estos hallazgos se derivan de la detección de múltiples moléculas clave: vapor de agua, monóxido de carbono, monóxido de silicio y metano.
Con estas detecciones, un equipo dirigido por los astrónomos Thomas Evans-Soma y Cyril Gapp logró compilar un inventario del carbono, el oxígeno y el silicio en la atmósfera de WASP-121b. La detección de metano, en particular, también sugiere fuertes vientos verticales en la cara nocturna, más fría, un proceso que a menudo se ignora en los modelos actuales.
WASP-121b es un planeta gigante ultracaliente que orbita su estrella anfitriona a una distancia de tan solo el doble del diámetro de esta, completando una órbita en aproximadamente 30,5 horas. El planeta presenta dos hemisferios distintos: uno que siempre está orientado hacia la estrella anfitriona, con temperaturas que localmente superan los 3000 grados Celsius, y un lado nocturno eterno donde las temperaturas descienden hasta los 1500 grados.
«Las temperaturas del lado diurno son lo suficientemente altas como para que los materiales refractarios —compuestos sólidos típicamente resistentes al calor intenso— existan como componentes gaseosos de la atmósfera del planeta», explicó Thomas Evans-Soma, astrónomo afiliado al Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, y a la Universidad de Newcastle, Australia. Dirigió el estudio publicado en Nature Astronomy.
Descubriendo el lugar de nacimiento de WASP-121b
El equipo investigó la abundancia de compuestos que se evaporan a temperaturas muy diferentes, lo que proporcionó pistas sobre la formación y evolución del planeta. «Los materiales gaseosos son más fáciles de identificar que los líquidos y sólidos», señaló Cyril Gapp, estudiante del MPIA y autor principal de un segundo estudio publicado en The Astronomical Journal.
Dado que muchos compuestos químicos se encuentran en forma gaseosa, los astrónomos utilizan WASP-121b como laboratorio natural para estudiar las propiedades de las atmósferas planetarias.
El equipo concluyó que WASP-121b probablemente acumuló la mayor parte de su gas en una región lo suficientemente fría como para que el agua permaneciera congelada, pero lo suficientemente cálida como para que el metano (CH₄) se evaporara y existiera en forma gaseosa. Dado que los planetas se forman dentro de un disco de gas y polvo que rodea a una estrella joven, estas condiciones se dan a distancias donde la radiación estelar crea las temperaturas adecuadas.
En nuestro sistema solar, esta región se encuentra en algún punto entre las órbitas de Júpiter y Urano. Esto es notable, dado que WASP-121b orbita ahora peligrosamente cerca de la superficie de su estrella anfitriona. Esto sugiere que, tras su formación, emprendió un largo viaje desde las regiones heladas exteriores hasta el centro del sistema planetario. Reconstruyendo la agitada juventud de WASP-121b
El silicio se detectó como gas de monóxido de silicio (SiO), pero entró originalmente en el planeta a través de material rocoso, como el cuarzo, almacenado en planetesimales (esencialmente asteroides), tras adquirir la mayor parte de su envoltura gaseosa. La formación de planetesimales lleva tiempo, lo que indica que este proceso ocurrió durante las últimas etapas del desarrollo planetario.
La formación de planetas comienza con partículas de polvo helado que se adhieren y crecen gradualmente hasta convertirse en guijarros de entre centímetros y metros de tamaño. Atraen el gas y las partículas pequeñas circundantes, acelerando su crecimiento.
Estos son los gérmenes de futuros planetas como WASP-121b. La fricción del gas circundante hace que los guijarros en movimiento se desplacen en espiral hacia la estrella. A medida que migran, el hielo que contienen comienza a evaporarse en las regiones internas más cálidas del disco.
Mientras los planetas jóvenes orbitan sus estrellas anfitrionas, pueden alcanzar un tamaño suficiente como para abrir importantes brechas en el disco protoplanetario. Esto detiene la deriva de guijarros hacia el interior y el aporte de hielo incrustado, pero deja suficiente gas disponible para construir una atmósfera extendida.
En el caso de WASP-121b, esto parece haber ocurrido en un lugar donde los guijarros de metano se evaporaron, enriqueciendo el gas que el planeta suministró con carbono. En cambio, los guijarros de agua permanecieron congelados, reteniendo el oxígeno.
Este escenario explica mejor por qué Evans-Soma y Gapp observaron una mayor proporción de carbono a oxígeno en la atmósfera del planeta que en su estrella anfitriona. WASP-121b continuó atrayendo gas rico en carbono después de que cesara el flujo de guijarros ricos en oxígeno, lo que determinó la composición final de su envoltura atmosférica.
La detección de metano requiere fuertes corrientes verticales
A medida que cambia la temperatura de una atmósfera, se espera que varíen las cantidades de diferentes moléculas, como el metano y el monóxido de carbono.
A las temperaturas ultraaltas del lado diurno de WASP-121b, el metano es altamente inestable y no estará presente en cantidades detectables. Los astrónomos han determinado que, para planetas como WASP-121b, el gas del hemisferio diurno debería mezclarse con el hemisferio nocturno, relativamente frío, más rápido de lo que la composición del gas puede ajustarse a las temperaturas más bajas.
En este escenario, se esperaría que la abundancia de metano fuera insignificante en el lado nocturno, al igual que en el lado diurno. Sin embargo, cuando los astrónomos detectaron abundante metano en el lado nocturno de WASP-121b, fue una sorpresa total.
Para explicar este resultado, el equipo propone que el gas metano debe reponerse rápidamente en el lado nocturno para mantener su alta abundancia.
Un mecanismo plausible para esto implica fuertes corrientes verticales que elevan el gas metano de las capas atmosféricas inferiores, ricas en metano gracias a las temperaturas relativamente bajas del lado nocturno, combinadas con la alta proporción de carbono a oxígeno de la atmósfera.
«Esto desafía los modelos dinámicos de exoplanetas, que probablemente deberán adaptarse para reproducir la fuerte mezcla vertical que hemos descubierto en el lado nocturno de WASP-121b», afirmó Evans-Soma.
El papel del JWST en el descubrimiento
El equipo utilizó el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) del JWST para observar WASP-121b a lo largo de toda su órbita alrededor de su estrella anfitriona. A medida que el planeta gira sobre su eje, la radiación térmica recibida de su superficie varía, exponiendo diferentes porciones de su atmósfera irradiada al telescopio. Esto permitió al equipo caracterizar las condiciones y la composición química del lado diurno y el lado nocturno del planeta.
Los astrónomos también capturaron observaciones mientras el planeta transitaba frente a su estrella. Durante esta fase, parte de la luz estelar se filtra a través del borde atmosférico del planeta, dejando huellas espectrales que revelan su composición química. Este tipo de medición es especialmente sensible a la región de transición donde se mezclan los gases del lado diurno y el lado nocturno.
«El espectro de transmisión emergente confirmó las detecciones de monóxido de silicio, monóxido de carbono y agua realizadas con los datos de emisión», señaló Gapp. «Sin embargo, no pudimos encontrar metano en la zona de transición entre el lado diurno y el lado nocturno».
Con información de Nature
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