Por primera vez, científicos han monitoreado continuamente la atmósfera de escape de un planeta a lo largo de una órbita completa, revelando que el gigante gaseoso WASP-121 b está rodeado no por una, sino por dos enormes colas de helio que se extienden más de la mitad de su órbita.
El descubrimiento fue realizado por astrónomos del Instituto Trottier de Investigación sobre Exoplanetas (IREx) de la Universidad de Montreal y del Departamento de Astronomía de la Universidad de Ginebra, en Suiza, utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y su instrumento de fabricación canadiense, NIRISS. Los resultados se detallan en un artículo publicado hoy en Nature Communications.
Dirigida por Romain Allart, investigador postdoctoral de la UdeM e IREx, la observación ofrece la imagen más detallada jamás obtenida de la pérdida atmosférica de un exoplaneta, un proceso que puede remodelar drásticamente los planetas con el tiempo.
Un mundo extremo bajo el fuego estelar
WASP-121 b es lo que los astrónomos llaman un Júpiter ultracaliente: un planeta gaseoso gigante que orbita tan cerca de su estrella que un año dura apenas un día, en este caso tan solo 30 horas. La intensa radiación de la estrella calienta la atmósfera del planeta a miles de grados, permitiendo que gases ligeros como el hidrógeno y el helio escapen al espacio. A lo largo de millones de años, esta lenta fuga puede alterar el tamaño, la composición y la evolución futura de un planeta.
Hasta ahora, los científicos habían observado principalmente breves destellos de estas emanaciones durante los tránsitos planetarios (las pocas horas en que un planeta pasa frente a su estrella). Sin embargo, sin un monitoreo continuo, era imposible saber la extensión de estas emanaciones ni su evolución con el tiempo.
Utilizando el NIRISS (Cámara de Imágenes de Infrarrojo Cercano y Espectrógrafo sin Rendija), el equipo de Allart observó WASP-121 b durante casi 37 horas seguidas, cubriendo más de una órbita completa. El conjunto de datos constituye la observación continua más completa jamás registrada de la firma de helio de un planeta. Dos colas gigantes de helio
Al rastrear la tenue absorción de átomos de helio en longitudes de onda infrarrojas, los investigadores descubrieron que el gas que rodea a WASP-121 b se extiende mucho más allá del propio planeta. La señal persistió durante más de la mitad de la órbita del planeta, lo que la convierte en la detección continua más larga de escape atmosférico jamás registrada.
Aún más sorprendente, se descubrió que las partículas de helio forman dos colas distintas: una cola de cola, alejada de la estrella por la radiación y el viento estelar, y una cola de cola, que se curva delante del planeta, probablemente atraída hacia el interior por la gravedad de la estrella.
Juntas, estas dos colas de salida abarcan más de 100 veces el diámetro del planeta, cubriendo más de tres veces la distancia entre el planeta y su estrella.
«Nos sorprendió enormemente ver la duración de la cola de salida de helio», declaró Allart, autor principal del artículo. Este descubrimiento revela los complejos procesos físicos que modelan las atmósferas de los exoplanetas y cómo interactúan con su entorno estelar. Apenas estamos empezando a desvelar la verdadera complejidad de estos mundos.
Un nuevo reto para la ciencia planetaria
Los modelos informáticos actuales de escape atmosférico, como el desarrollado en la Universidad de Ginebra y adaptado para este estudio, pueden explicar colas individuales similares a las de los cometas, pero aún no pueden explicar por completo esta estructura doble recién observada en WASP-121 b. El descubrimiento sugiere que tanto las fuerzas gravitacionales como los vientos de la estrella desempeñan un papel crucial en la configuración de estos flujos, un fenómeno que requiere una nueva generación de simulaciones 3D para comprender la física en juego.
«Este es un verdadero punto de inflexión», afirmó Allart. «Ahora debemos replantearnos cómo simulamos la pérdida de masa atmosférica, no solo como un simple flujo, sino con una geometría 3D que interactúa con su estrella. Esto es crucial para comprender cómo evolucionan los planetas y si los planetas gigantes gaseosos pueden convertirse en rocas desnudas».
Más allá del espectáculo de las colas dobles, el hallazgo tiene profundas implicaciones para la evolución planetaria. El escape, o pérdida, de la atmósfera es uno de los procesos clave que determina si un mundo sigue siendo un gigante gaseoso, se reduce a un planeta similar a Neptuno o se reduce a un núcleo rocoso.
Observar estas dinámicas en tiempo real alrededor de WASP-121 b ofrece a los científicos un campo de pruebas único para los modelos de cómo cambian los planetas a lo largo de miles de millones de años. El resultado podría incluso ayudar a explicar el «desierto de Neptuno»: por qué los gigantes gaseosos cercanos más pequeños, conocidos como «Neptunos calientes», parecen tan escasos. Podrían ser los restos de planetas más grandes cuyas atmósferas han sido erosionadas por sus estrellas.
Liderazgo canadiense en la exploración de exoplanetas
NIRISS es uno de los cuatro instrumentos científicos del JWST. Fue diseñado y construido por la Agencia Espacial Canadiense en colaboración con la multinacional estadounidense Honeywell, el profesor de la UdeM René Doyon y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, y continúa desempeñando un papel central en muchos de los estudios más emocionantes sobre exoplanetas del JWST. El instrumento permite a los científicos canadienses sondear las atmósferas de mundos distantes, revelando su composición, temperatura y, ahora, su escape al espacio.
«Los datos continuos y de alta precisión de NIRISS hicieron posible este descubrimiento», afirmó Louis-Philippe Coulombe, investigador de IREx y segundo autor del artículo. «La forma en que se realizaron estas observaciones —una curva de fase completa— proporciona acceso a muchas propiedades de los exoplanetas, más allá de su atmósfera de escape, como su composición, clima y balance energético. Es una clara demostración del impacto multidisciplinario del instrumento y su valor para la comunidad global de exoplanetas».
A cambio de esta importante contribución instrumental, astrónomos canadienses obtuvieron cientos de horas de observación garantizada en el Webb durante los primeros años de sus operaciones. Esto incluyó el programa NEAT de 200 horas, dirigido por David Lafrenière (IREx/UdeM), del cual se obtuvieron estos extraordinarios datos.
Futuros pasos para WASP-121 b y más allá
El helio se ha convertido en uno de los trazadores más potentes del escape atmosférico, y la sensibilidad única del JWST ahora permite a los astrónomos detectarlo a inmensas distancias y escalas de tiempo como nunca antes. Si bien los datos de los observatorios terrestres son cruciales para ayudar a determinar la dinámica de las emanaciones de un planeta, el monitoreo continuo no es posible desde dichas instalaciones debido a la luz diurna y las condiciones meteorológicas que fragmentan las observaciones en instantáneas más cortas.
Las futuras observaciones del JWST serán esenciales para determinar si la estructura de doble cola encontrada alrededor de WASP-121 b es única o común entre los exoplanetas calientes. Al estudiar sistemas similares, los investigadores esperan construir una imagen más amplia de cómo la radiación y los vientos estelares esculpen las atmósferas planetarias en toda la galaxia para comprender mejor su destino.
Con información de Nature
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