Un equipo de astrónomos liderado por Carnegie detectó la evidencia más sólida hasta la fecha de una atmósfera alrededor de un planeta rocoso fuera de nuestro sistema solar. Su trabajo, publicado en The Astrophysical Journal Letters, utilizó el JWST de la NASA para revelar una atmósfera alienígena en un lugar inesperado: una antigua supertierra ultracaliente que probablemente alberga un océano de magma.
TOI-561 b es un mundo rocoso con aproximadamente el doble de masa que la Tierra, pero que se parece poco a nuestro planeta debido a su proximidad a su estrella anfitriona. Aunque la estrella es ligeramente menos masiva y más fría que nuestro Sol, el planeta orbita a una cuadragésima parte de la distancia de Mercurio en nuestro sistema solar. En TOI-561 b, un año dura solo 10,56 horas, y una cara del planeta tiene luz diurna perpetua.
«Basándonos en lo que sabemos sobre otros sistemas, los astrónomos habrían predicho que un planeta como este es demasiado pequeño y caliente para conservar su propia atmósfera durante mucho tiempo después de su formación», explicó Nicole Wallack, becaria postdoctoral de Carnegie Science y segunda autora del artículo. «Pero nuestras observaciones sugieren que está rodeado por una capa de gas relativamente gruesa, lo que revierte la creencia popular sobre los planetas de período ultracorto».
En nuestro sistema solar, los planetas más pequeños y calientes no pudieron conservar la envoltura de gas primordial que los rodeó durante sus años de formación. Sin embargo, la estrella anfitriona de TOI-561 b es mucho más antigua que nuestro Sol y su atmósfera permanece intacta.
La presencia de esta atmósfera podría ayudar a explicar la densidad inusualmente baja del planeta.
«No es lo que llamamos un planeta superblandengue, o ‘algodón de azúcar’, pero es menos denso de lo que cabría esperar si tuviera una composición similar a la de la Tierra», explicó la astrónoma de Carnegie Science, Johanna Teske, autora principal del artículo.
Al diseñar el programa de observación, el equipo consideró que la baja densidad del planeta podría explicarse por un núcleo de hierro relativamente pequeño y un manto de roca menos densa que las rocas que componen el interior de la Tierra.
Teske señala que esto podría tener sentido: «TOI-561 b se distingue entre los planetas de período ultracorto porque orbita una estrella muy antigua (el doble de la edad del Sol) y pobre en hierro en una región de la Vía Láctea conocida como el disco grueso. Debe haberse formado en un entorno químico muy diferente al de los planetas de nuestro sistema solar».
Esto significa que su composición podría ser representativa de planetas que se formaron cuando el universo era relativamente joven.
Pero una composición interior inusual no lo explica todo.
Al decidir estudiar TOI-561 b, el equipo de investigación también sospechó que podría estar rodeado por una atmósfera densa que le da un aspecto más grande y, por lo tanto, menos denso.
Para comprobar la existencia de la atmósfera de TOI-561 b, los astrónomos utilizaron el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) del JWST para medir la temperatura del lado diurno del planeta basándose en su brillo en el infrarrojo cercano. Esta técnica, que consiste en medir la disminución del brillo del sistema estrella-planeta a medida que el planeta se desplaza tras la estrella, es similar a la empleada para buscar atmósferas en el sistema TRAPPIST-1 y en otros mundos rocosos.
Si TOI-561 b fuera una roca desnuda sin atmósfera que transportara el calor hacia el lado nocturno, su temperatura en el lado diurno debería estar cerca de los 2700 grados Celsius (4900 grados Fahrenheit). Sin embargo, las observaciones de NIRSpec muestran que el lado diurno del planeta parece estar más cerca de los 1800 grados Celsius (3200 grados Fahrenheit), una temperatura aún extremadamente alta, pero mucho más baja de lo esperado.
Para explicar los resultados, el equipo consideró diferentes escenarios. El océano de magma podría circular algo de calor, pero sin atmósfera, el lado nocturno probablemente sería sólido, lo que limitaría el flujo que se aleja del lado diurno. También es posible que exista una fina capa de vapor de roca en la superficie del océano de magma, pero por sí sola probablemente tendría un efecto de enfriamiento mucho menor que el observado.
«Realmente necesitamos una atmósfera densa y rica en volátiles para explicar todas las observaciones», afirmó la coautora Anjali Piette, de la Universidad de Birmingham, Reino Unido, exbecaria postdoctoral de Carnegie Science. Los fuertes vientos enfriarían el lado diurno al transportar el calor al lado nocturno. Gases como el vapor de agua absorberían algunas longitudes de onda de la luz infrarroja cercana emitida por la superficie antes de alcanzar la atmósfera. (El planeta se vería más frío porque el telescopio detecta menos luz). También es posible que existan nubes brillantes de silicato que enfríen la atmósfera al reflejar la luz de las estrellas.
Si bien las observaciones del JWST proporcionan evidencia convincente de dicha atmósfera, la pregunta persiste: ¿Cómo puede un planeta pequeño expuesto a una radiación tan intensa conservar alguna atmósfera, y mucho menos una tan sustancial? Algunos gases deben estar escapando al espacio, pero quizás no con la eficiencia esperada.
«Creemos que existe un equilibrio entre el océano de magma y la atmósfera. Al mismo tiempo que los gases salen del planeta para alimentar la atmósfera, el océano de magma los absorbe hacia el interior», afirmó el coautor Tim Lichtenberg, de la Universidad de Groningen (Países Bajos), quien también forma parte del equipo del proyecto de Investigación Atmosférica, Teórica y Experimental Empírica (AEThER), liderado por Carnegie. «Este planeta debe ser mucho más rico en volátiles que la Tierra para explicar las observaciones. Es realmente como una bola de lava húmeda».
Teske concluyó: «Lo realmente emocionante es que este nuevo conjunto de datos plantea aún más preguntas de las que responde».
Estos son los primeros resultados del Programa de Observadores Generales 3860 del JWST, que implicó observar el sistema de forma continua durante más de 37 horas mientras TOI-561 b completaba casi cuatro órbitas completas de la estrella. El equipo está analizando actualmente el conjunto de datos completo para cartografiar la temperatura en todo el planeta y delimitar la composición de la atmósfera. El liderazgo de Teske y Wallack en este artículo del JWST representa una tradición de excelencia en Carnegie Science que se remonta a la concepción inicial de la misión hace tres décadas y se extiende a lo largo de los primeros cuatro ciclos de asignación de tiempo en el revolucionario telescopio espacial.
Desde que el JWST finalizó las calibraciones y comenzó a recopilar datos para programas de investigación astronómica, Teske, Wallack y otros científicos afiliados al Laboratorio de la Tierra y los Planetas y a los Observatorios Carnegie han liderado más de una docena de equipos del JWST y anunciado resultados revolucionarios sobre atmósferas de exoplanetas, formación de galaxias y más.
«Estos avances impulsados por el JWST aprovechan directamente nuestra sólida experiencia en la comprensión de cómo las características de los exoplanetas se ven influenciadas por la evolución y la dinámica planetarias», declaró Michael Walter, director del Laboratorio de la Tierra y los Planetas. «Hay más resultados emocionantes en el horizonte y estamos preparados para una nueva ola de investigación científica del JWST liderada por Carnegie el próximo año».
Con información de The Astrophysical Journal Letters
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