El telescopio James Webb de la NASA estudiará exoplanetas jóvenes en órbitas muy alejadas a su estrella anfitriona

Antes de que los planetas alrededor de otras estrellas fueran descubiertos por primera vez en la década de 1990, estos exóticos mundos lejanos vivían solo en la imaginación de los escritores de ciencia ficción.

Ni sus mentes super creativas podrían haber concebido la variedad de planetas que los astrónomos han descubierto. Muchos de estos mundos, llamados exoplanetas, son muy diferentes de la familia de planetas de nuestro sistema solar. Van desde “Júpiteres calientes” que abrazan a sus estrellas anfitrionas, hasta planetas rocosos de gran tamaño llamados “súper Tierras”. Parece que nuestro universo es más extraño que la ficción.

Ver estos planetas distantes no es fácil debido a que se pierden en el resplandor de sus estrellas anfitrionas. Tratar de detectarlos es como esforzarse en ver una luciérnaga flotando junto a la brillante baliza de un faro.

Por ello, los astrónomos han identificado la mayoría de los más de 4.000 exoplanetas encontrados hasta ahora utilizando técnicas indirectas, como a través del ligero bamboleo de una estrella o su atenuación inesperada cuando un planeta pasa frente a ella, bloqueando parte de la luz de las estrellas, desde nuestra perspectiva.

Izquierda: imagen de la estrella HR 8799 tomada por la cámara de infrarrojos cercanos y el espectrómetro de objetos múltiples (NICMOS) del Hubble en 1998. Una máscara dentro de la cámara (coronógrafo) bloquea la mayor parte de la luz de la estrella. Los astrónomos también utilizaron un software para restar digitalmente más luz estelar. Sin embargo, la luz dispersa de HR 8799 domina la imagen, oscureciendo cuatro débiles planetas descubiertos posteriormente a partir de observaciones terrestres.
Derecha: nuevo análisis de los datos de NICMOS de 2011 que descubrió tres de los exoplanetas que no se detectaron en las imágenes de 1998. Webb sondeará las atmósferas de los planetas en longitudes de onda infrarrojas que los astrónomos rara vez han utilizado para obtener imágenes de planetas distantes.
Créditos: NASA, ESA y R. Soummer (STScI).

Sin embargo, estas técnicas funcionan mejor para los planetas que orbitan cerca de sus estrellas, donde los astrónomos pueden detectar cambios durante semanas o incluso en días, a medida que el planeta completa su órbita. Pero solo encontrar planetas que rozan estrellas no proporciona a los astrónomos una imagen completa de todos los exoplanetas posibles en los sistemas estelares.

Otra técnica que utilizan los investigadores en la búsqueda de exoplanetas, se enfoca en planetas que están más lejos del resplandor cegador de una estrella. Los científicos han descubierto exoplanetas jóvenes tan calientes, que brillan en luz infrarroja, y para ello han utilizando técnicas de imágenes especializadas que bloquean el resplandor de la estrella. De esta forma, algunos exoplanetas se pueden ver y estudiar directamente.

El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA ayudará a los astrónomos a explorar más esta técnica. Webb, como algunos telescopios terrestres, está equipado con sistemas ópticos especiales llamados coronógrafos, que utilizan máscaras diseñadas para bloquear la mayor cantidad de luz estelar posible para estudiar exoplanetas débiles y descubrir nuevos mundos.

Este esquema muestra las posiciones de los cuatro exoplanetas que orbitan alejados de la estrella HR 8799. Las órbitas parecen alargadas debido a una ligera inclinación del plano de las órbitas con respecto a nuestra línea de visión. El tamaño del sistema planetario HR 8799 es comparable a nuestro sistema solar, como lo indica la órbita de Neptuno, mostrada a escala.
Créditos: NASA, ESA y R. Soummer (STScI).

Dos objetivos iniciales para la misión del telescopio James Webb son los sistemas planetarios 51 Eridani y HR 8799. De las pocas docenas de planetas fotografiados directamente, los astrónomos planean usar Webb para analizar en detalle los sistemas que están más cerca de la Tierra y tienen planetas más alejados de sus estrellas. Esto implica que parecen estar lo suficientemente lejos del resplandor de la estrella para ser observados directamente. El sistema HR 8799 se ubica a 133 y 51 Eridani a 96 años luz de la Tierra.

Objetivos planetarios de Webb

En la Misión del Telescopio James Webb existirán dos programas de observación que combinarán las capacidades espectroscópicas del espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y las imágenes de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) para estudiar los cuatro planetas gigantes en el sistema HR 8799. En un tercer programa, los investigadores utilizarán NIRCam para analizar el planeta gigante en 51 Eridani.

Cada uno de los cuatro planetas gigantes del sistema HR 8799 tiene aproximadamente 10 masas de Júpiter. Orbitan a más de 22.000 millones de kilómetros de su estrella, que es un poco más masiva que el Sol. El planeta gigante en 51 Eridani, tiene el doble de masa que Júpiter y orbita a unos 17.000 millones de kilómetros de una estrella similar al Sol. Ambos sistemas planetarios tienen órbitas orientadas de cara hacia la Tierra. Esta orientación brinda a los astrónomos una oportunidad única de obtener una vista desde la parte superior de los sistemas, como mirar los anillos concéntricos en un objetivo de tiro con arco.

Muchos exoplanetas que se encuentran en las órbitas exteriores de sus estrellas son muy diferentes de los planetas de nuestro sistema solar. La mayoría de los exoplanetas descubiertos en esta región exterior, incluidos los de HR 8799, tienen entre 5 y 10 masas de Júpiter, lo que los convierte en los planetas más masivos jamás encontrados hasta la fecha.

Estos exoplanetas exteriores son relativamente jóvenes, de decenas de millones a cientos de millones de años, mucho más jóvenes que los 4.500 millones de años de nuestro sistema solar. Por ello, todavía están brillando debido al calor de su proceso de formación. Las imágenes de estos exoplanetas son básicamente fotografías de bebés, que revelan planetas en su juventud.

Webb explorará el infrarrojo medio, un rango de longitud de onda que los astrónomos rara vez han utilizado antes para obtener imágenes de mundos distantes. Esta “ventana” infrarroja es difícil de observar desde la superficie de la Tierracomo consecuencia de la emisión térmica y la absorción en la atmósfera terrestre.

“El punto fuerte de Webb es la luz desinhibida que llega a través del espacio en el rango del infrarrojo medio”, dijo Klaus Hodapp de la Universidad de Hawai en Hilo, investigador principal de las observaciones NIRSpec del sistema HR 8799. “Es bastante difícil trabajar con la atmósfera de la Tierra. Las principales moléculas de absorción en nuestra propia atmósfera nos impiden ver características interesantes en los planetas ”.

Esta imagen de un planeta extrasolar del tamaño de Júpiter que orbita alrededor de la estrella cercana, 51 Eridani, fue tomada en luz infrarroja cercana en 2014 por Gemini Planet Imager. La brillante estrella central está oculta detrás de una máscara en el centro de la imagen para permitir la detección del exoplaneta, que es 1 millón de veces más débil que 51 Eridani. El exoplaneta está en las afueras del sistema planetario a 17.000 millones de kilómetros de su estrella. Webb estudiará la atmósfera del planeta en longitudes de onda infrarrojas que los astrónomos rara vez han utilizado para obtener imágenes de mundos distantes.
Créditos: Observatorio Internacional Géminis / NOIRLab / NSF / AURA, J. Rameau (Universidad de Montreal) y C. Marois (Consejo Nacional de Investigación de Canadá Herzberg).

El infrarrojo medio “es la región donde Webb realmente hará contribuciones fundamentales para comprender cuáles son las moléculas particulares, cuáles son las propiedades de la atmósfera que esperamos encontrar, que no obtenemos de las longitudes de onda del infrarrojo cercano ”, dijo Charles Beichman del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, investigador principal de las observaciones NIRCam y MIRI del sistema HR 8799. “Nos basaremos en lo que han hecho los observatorios terrestres, pero el objetivo es ampliar eso de una manera que sería imposible sin Webb”.

¿Cómo se forman los planetas?

Uno de los principales objetivos de los investigadores en ambos sistemas, es utilizar Webb para ayudar a determinar cómo se formaron los exoplanetas. ¿Fueron creados a través de una acumulación de material en el disco que rodea a la estrella, enriquecido en elementos pesados ​​como el carbono, tal como probablemente lo hizo Júpiter? ¿O se formaron a partir del colapso de una nube de hidrógeno, como una estrella, y se hicieron más pequeños bajo la implacable atracción de la gravedad?

La composición atmosférica puede proporcionar pistas sobre el nacimiento de un planeta. “Una de las cosas que nos gustaría conocer es la proporción de los elementos que han entrado en la formación de estos planetas”, dijo Beichman. “En particular, el carbono frente al oxígeno te dice bastante sobre de dónde proviene el gas que formó el planeta. ¿Provino de un disco que acumuló muchos de los elementos más pesados ​​o vino del medio interestelar? es lo que llamamos la relación carbono-oxígeno lo que es bastante indicativo en los mecanismos de formación “.

Para responder a estas preguntas, los investigadores utilizarán Webb para explorar más profundamente las atmósferas de los exoplanetas. NIRCam, por ejemplo, medirá las huellas atmosféricas de elementos como el metano. También observará las características de las nubes y las temperaturas de estos planetas. “Ya tenemos mucha información en estas longitudes de onda del infrarrojo cercano de instalaciones terrestres”, dijo Marshall Perrin del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, investigador principal de las observaciones NIRCam de 51 Eridani b. “Pero los datos de Webb serán mucho más precisos, mucho más sensibles. Tendremos un conjunto más completo de longitudes de onda”.

Este video muestra cuatro exoplanetas del tamaño de Júpiter orbitando a miles de millones de kilómetros de su estrella en el cercano sistema HR 8799. El sistema planetario está orientado de cara hacia la Tierra, lo que brinda a los astrónomos una vista panorámica única, del movimiento de los planetas. Los exoplanetas orbitan tan lejos de su estrella que tardan de décadas a siglos en completar una órbita. El video consta de siete imágenes del sistema, tomadas durante un período de siete años con el W.M. Observatorio Keck en Mauna Kea, Hawaii. El coronógrafo de Keck bloquea la mayor parte de la luz de las estrellas para que se puedan ver los exoplanetas más débiles y pequeños.
Créditos: Jason Wang (Caltech) y Christian Marois (NRC Herzberg).

Los astrónomos también utilizarán Webb y su excelente sensibilidad para buscar planetas menos masivos orbitando lejos de su estrella. “A partir de observaciones terrestres, sabemos que estos planetas masivos son relativamente raros”, dijo Perrin. “Pero también sabemos que para las partes internas de los sistemas, los planetas de menor masa son más comunes que los planetas de mayor masa” Beichman agregó: “La operación de Webb en el ambiente frío del espacio permite la búsqueda de planetas más pequeños y débiles, imposibles de detectar desde el suelo”.

Otro objetivo es comprender cómo se crearon los innumerables sistemas planetarios descubiertos hasta ahora.

“Creo que lo que estamos encontrando es que existe una gran diversidad en los sistemas solares”, dijo Perrin. “Tienes sistemas en los que hay estos planetas calientes tipo Júpiter en órbitas muy cercanas. Tienes sistemas donde no los tienes. Tienes sistemas en los que tienes un planeta con una masa de 10 Júpiteres y otros en los que no tienes nada más masivo que varias Tierras. En última instancia, queremos comprender cómo la diversidad de la formación del sistema planetario depende del entorno de la estrella, la masa de la estrella, todo tipo de otras cosas y, finalmente, a través de estos estudios, esperamos poder colocar nuestro propio sistema solar en contexto.”

Este video muestra un exoplaneta del tamaño de Júpiter orbitando muy lejos, aproximadamente a 17.000 millones de kilómetros, de una estrella cercana, similar al Sol, 51 Eridani. El sistema planetario está orientado de cara hacia la Tierra, lo que brinda a los astrónomos una vista panorámica única del movimiento del planeta. El video consta de cinco imágenes tomadas durante cuatro años con el Gemini Planet Imager del Telescopio Gemini Sur, en Chile. El coronógrafo de Gemini bloquea la mayor parte de la luz de las estrellas para que se pueda ver el exoplaneta más débil y pequeño.
Créditos: Jason Wang (Caltech) / Encuesta de exoplanetas Gemini Planet Imager.

Las observaciones espectroscópicas NIRSpec de HR 8799 y las observaciones NIRCam de 51 Eridani, son parte de los programas Guaranteed Time Observations que se llevarán a cabo poco después del lanzamiento de Webb a finales de este año. Las observaciones NIRCam y MIRI de HR 8799 son una colaboración de dos equipos de instrumentos y también son parte del programa de Observaciones de Tiempo Garantizado.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en eso. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.