Dióxido de carbono en la atmósfera de un exoplaneta

El Telescopio James-Webb proporciona información sobre la composición y formación de planetas fuera de nuestro sistema solar.

12. Agosto 2022

Utilizando el Telescopio Espacial James Webb, una colaboración internacional de astrónomos con Laura Kreidberg del Instituto Max Planck de Astronomía ha capturado la luz infrarroja filtrada a través de la atmósfera de un gigante gaseoso caliente a 700 años luz de distancia. El espectro de transmisión del exoplaneta WASP-39 b representa un triplete de primicias: la primera observación científica oficial de Webb de un exoplaneta; el primer espectro detallado de exoplanetas que cubre esta gama de colores del infrarrojo cercano; y la primera evidencia indiscutible de dióxido de carbono en la atmósfera de un planeta que orbita una estrella distante. Los resultados indican la capacidad de Webb para detectar moléculas clave como el dióxido de carbono en una amplia variedad de exoplanetas, incluidos planetas rocosos más pequeños, más fríos, que proporcionan información sobre la composición, formación y evolución de los planetas en toda la galaxia.

El Telescopio Espacial James Webb, operado por la NASA, la ESA y la CSA, ha proporcionado la primera evidencia clara de dióxido de carbono en la atmósfera de un planeta fuera del sistema solar. Esta observación de un planeta gigante gaseoso que orbita una estrella similar al Sol a 700 años luz de distancia proporciona información importante sobre la composición y formación del planeta. El hallazgo también indica la capacidad única de Webb para detectar y medir el dióxido de carbono en las atmósferas más delgadas de los planetas rocosos más pequeños.

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WASP-39 b es un gigante gaseoso caliente con una masa de aproximadamente una cuarta parte de la de Júpiter (aproximadamente la misma que Saturno) y un diámetro 1,3 veces mayor que Júpiter. Su hinchazón extrema está en parte relacionada con su alta temperatura (alrededor de 900 ° Celsius o 1170 Kelvin). A diferencia de los gigantes gaseosos más fríos y compactos de nuestro sistema solar, WASP-39 b orbita muy cerca de su estrella, solo alrededor de una octava parte de la distancia entre el Sol y Mercurio, completando un circuito en poco más de cuatro días terrestres. El descubrimiento del planeta, reportado en 2011, se realizó en base a detecciones terrestres de la atenuación sutil y periódica de la luz de su estrella anfitriona a medida que el planeta transita o pasa por delante de la estrella.

Observaciones anteriores de otros telescopios, incluidos los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, revelaron la presencia de vapor de agua, sodio y potasio en la atmósfera del planeta. La incomparable sensibilidad infrarroja de Webb ahora ha confirmado la presencia de dióxido de carbono en este planeta también.

Los planetas en tránsito como WASP-39 b, cuyas órbitas observamos de borde en lugar de desde arriba, pueden proporcionar a los investigadores oportunidades ideales para sondear atmósferas planetarias. Durante un tránsito, el planeta eclipsa parte de la luz estelar por completo (causando el oscurecimiento general), y algunos pasan a través de la atmósfera del planeta.

Debido a que diferentes gases absorben diferentes combinaciones de colores, los investigadores pueden analizar ligeras diferencias en el brillo de la luz transmitida a través de un espectro de longitudes de onda para determinar la composición exacta de una atmósfera. Con su atmósfera inflada y tránsitos frecuentes, WASP-39 b es un objetivo ideal para esta técnica llamada espectroscopia de transmisión.

Primera detección clara de dióxido de carbono

El equipo de investigación utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (NIRSpec) para sus observaciones de WASP-39b. Como miembro de un consorcio europeo, el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, suministró los mecanismos del filtro y las ruedas de rejilla que NIRSpec utiliza para dividir la luz en longitudes de onda. En el espectro resultante de la atmósfera del exoplaneta, el pequeño aumento en el brillo entre 4.1 y 4.6 micras es cualquier cosa menos trivial para los investigadores de exoplanetas. Es la primera evidencia clara, detallada e indiscutible de dióxido de carbono jamás detectada en un planeta fuera del Sistema Solar.

"Tan pronto como los datos aparecieron en mi pantalla, la enorme característica de dióxido de carbono me atrapó", dijo Zafar Rustamkulov, un estudiante graduado de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Estados Unidos, y miembro del equipo de exoplanetas en tránsito que emprendió esta investigación. "Fue un momento especial, cruzando un umbral importante en las ciencias de los exoplanetas".

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Ningún observatorio ha medido diferencias tan sutiles en el brillo de tantos colores individuales en el rango de 3 a 5.5 micras en un espectro de transmisión de exoplanetas antes. El acceso a esta parte del espectro es crucial para medir la abundancia de gases como el agua y el metano, así como el dióxido de carbono, que los astrónomos sospechan que existe en muchos tipos diferentes de exoplanetas.

"Detectar una señal tan clara de dióxido de carbono en WASP-39 b es un buen augurio para la detección de atmósferas en planetas más pequeños del tamaño de un terreno", dijo Natalie Batalha, de la Universidad de California en Santa Cruz, Estados Unidos, quien dirige el equipo.

Comprender la composición de la atmósfera de un planeta es importante porque nos dice algo sobre el origen del planeta y cómo evolucionó. Las moléculas de dióxido de carbono son trazadores sensibles de la historia de la formación de planetas. Los científicos pueden determinar cuánto material sólido versus gaseoso entró en este planeta gigante gaseoso durante su formación.

"Esta detección inequívoca de CO2 es un hito importante para la caracterización de la atmósfera de exoplanetas", explica Laura Kreidberg, directora del Instituto Max Planck de Astronomía. "CO2 es un importante trazador de la historia de la formación de planetas: nos ayuda a medir el inventario completo de carbono y oxígeno de la atmósfera, que es altamente sensible a las condiciones en el disco donde se formó el planeta". Por ejemplo, los científicos pueden usar este CO2 medición para restringir mejor la ubicación de la formación original del planeta, las propiedades de los sólidos y gases acrecentados, y la historia de migración posterior del planeta.

Ciencia de lanzamiento anticipado

La observación nirspec de WASP-39 b es solo una parte de una investigación más extensa. Incluye la observación del planeta utilizando múltiples instrumentos y la medición de otros dos planetas en tránsito. La investigación, que forma parte del programa Early Release Science (ERS), fue diseñada para proporcionar a la comunidad de investigación de exoplanetas datos robustos de Webb lo antes posible.

"El objetivo es analizar las observaciones de Early Release Science rápidamente y desarrollar herramientas de código abierto para que la comunidad científica las use", explicó Vivien Parmentier de la Universidad de Oxford, Reino Unido. "Esto permite contribuciones de todo el mundo y asegura que la mejor ciencia posible saldrá de las próximas décadas de observaciones".

"Es una alegría ver una detección definitiva de dióxido de carbono en un Júpiter caliente del Programa de Ciencia de Liberación Temprana para JWST. El telescopio prometió ser espectacular desde el principio, y ha cumplido", comentó Laura Kreidberg. "La comunidad de exoplanetas ha estado buscando la firma del dióxido de carbono durante décadas. Con la extraordinaria nueva capacidad de JWST, será posible detectar rutinariamente dióxido de carbono para Júpiter calientes, así como planetas más pequeños y fríos más parecidos a nuestra propia Tierra. Estoy orgulloso del Equipo Científico de Liberación Temprana de la Comunidad de Exoplanetas en Tránsito, cientos de astrónomos que han estado trabajando juntos durante más de cinco años para exprimir la ciencia más emocionante de JWST desde el principio", concluyó Kreidberg.

 
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