El telescopio espacial James Webb de la NASA acaba de conseguir otro hito: un perfil molecular y químico de la atmósfera de un exoplaneta.
Anteriormente, el Webb y otros telescopios espaciales, como el Hubble y el Spitzer de la NASA, detectaron componentes aislados de la atmósfera de este planeta en llamas, pero las nuevas observaciones del Webb han proporcionado el perfil completo de átomos, moléculas e incluso indicios de química activa y nubes.
Los datos más recientes también dan una pista de cómo se verían estas nubes de cerca: se observarían divididas en lugar de un manto único y uniforme sobre el planeta.
El conjunto de instrumentos altamente sensibles del telescopio apuntó a la atmósfera de WASP-39 b, un “Saturno caliente”, un planeta tan masivo como Saturno pero que orbita a una estrella a unos 700 años luz de distancia, más cerca que Mercurio del Sol.
Los hallazgos son un buen augurio para la capacidad de los instrumentos del Webb para realizar la amplia gama de investigaciones de todo tipo de exoplanetas (planetas alrededor de otras estrellas) que espera la comunidad científica. Eso incluye estudiar las atmósferas de planetas rocosos más pequeños como los del sistema TRAPPIST-1.
“Observamos el exoplaneta con múltiples instrumentos que, juntos, proporcionan una amplia franja del espectro infrarrojo y un conjunto de huellas dactilares químicas inaccesibles hasta [esta misión]”, dijo Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California (Santa Cruz), quien contribuyó y ayudó a coordinar la nueva investigación. “Datos como estos son un cambio de juego”.
La serie de descubrimientos se detalla en un conjunto de cinco nuevos artículos científicos, tres de los cuales están en prensa y dos en proceso de revisión. Entre las revelaciones sin precedentes se encuentra la primera detección en la atmósfera de un exoplaneta de dióxido de azufre (SO2), una molécula producida a partir de reacciones químicas provocadas por la luz de alta energía de la estrella anfitriona del planeta. En la Tierra, la capa protectora de ozono en la atmósfera superior se crea de manera similar.
“Esta es la primera vez que vemos evidencia concreta de fotoquímica (reacciones químicas iniciadas por luz estelar energética) en exoplanetas”, dijo Shang-Min Tsai, investigador de la Universidad de Oxford (en el Reino Unido) y autor principal del artículo que explica el origen del dióxido de azufre en la atmósfera de WASP-39 b. “Veo esto como una perspectiva realmente prometedora para avanzar en nuestra comprensión de las atmósferas de los exoplanetas con [esta misión]”.
Esto condujo a otra primicia: los científicos aplicaron modelos informáticos de fotoquímica a datos que requieren que dicha física se explique completamente. Las mejoras resultantes en el modelado ayudarán a construir el conocimiento tecnológico para interpretar posibles signos de habitabilidad en el futuro.
“Los planetas son esculpidos y transformados al orbitar dentro del baño de radiación de la estrella anfitriona”, dijo Batalha. “En la Tierra, esas transformaciones permiten que la vida prospere”.
La proximidad del planeta a su estrella anfitriona, ocho veces más cerca que Mercurio de nuestro Sol, también lo convierte en un laboratorio para estudiar los efectos de la radiación de las estrellas anfitrionas en los exoplanetas. Un mayor conocimiento de la conexión estrella-planeta debería conllevar una comprensión más profunda de cómo estos procesos afectan la diversidad de planetas observados en la galaxia.
Para ver la luz de WASP-39 b, el Webb siguió el tránsito del planeta frente a su estrella, lo que permitió que parte de la luz de la estrella se filtrara a través de la atmósfera del planeta. Los diferentes tipos de sustancias químicas presentes en la atmósfera absorben diferentes colores del espectro de luz de las estrellas, por lo que los colores que faltan, indican a los astrónomos qué moléculas están presentes. Al observar el universo en luz infrarroja, el Webb puede detectar huellas dactilares químicas que no se pueden detectar en luz visible.
Otros componentes atmosféricos detectados por el telescopio Webb incluyen sodio (Na), potasio (K) y vapor de agua (H2O), lo que confirma las observaciones previas de telescopios terrestres y espaciales, además de encontrar más huellas dactilares de agua, en estas longitudes de onda más largas, que no se habían detectado antes.
El Webb también localizó dióxido de carbono (CO2) a una resolución más alta, proporcionando el doble de datos que los aportados en sus observaciones anteriores. Mientras tanto, se detectó monóxido de carbono (CO), pero las firmas obvias de metano (CH4) y sulfuro de hidrógeno (H2S) no estaban presentes en los datos del Webb. Si están presentes, estas moléculas se producen en niveles muy bajos.
Para capturar este amplio espectro de la atmósfera de WASP-39 b, un equipo internacional de analizó de forma independiente los datos de cuatro de los modos de instrumentos finamente calibrados del telescopio Webb.
Créditos: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI).
“Habíamos predicho lo que (el telescopio) nos mostraría, pero fue más preciso, más diverso y más hermoso de lo que realmente creía que sería”, dijo Hannah Wakeford, astrofísica de la Universidad de Bristol (en el Reino Unido) que investiga las atmósferas de los exoplanetas.
Tener una lista tan completa de ingredientes químicos en la atmósfera de un exoplaneta también les da a los científicos una idea de la abundancia de diferentes elementos en relación entre sí, como las proporciones de carbono a oxígeno o de potasio a oxígeno. Eso, a su vez, proporciona una idea de cómo este planeta, y quizás otros, se formaron a partir del disco de gas y polvo que rodeaba a la estrella anfitriona en sus primeros años.
El inventario químico de WASP-39 b sugiere que ha tenido lugar una serie de aplastamientos y fusiones de cuerpos más pequeños, llamados planetesimales, para crear un planeta gigante.
“La abundancia de azufre en relación con el hidrógeno indicó que el planeta presumiblemente experimentó una acumulación significativa de planetesimales que pueden aportar estos ingredientes a la atmósfera”, dijo Kazumasa Ohno, investigadora de exoplanetas de UC Santa Cruz que trabajó en los datos del Webb. “Los datos también indican que el oxígeno es mucho más abundante que el carbono en la atmósfera. Esto indica que potencialmente WASP-39 b se formó originalmente lejos de la estrella”.
Al analizar con tanta precisión la atmósfera de un exoplaneta, los instrumentos del telescopio Webb superaron con creces las expectativas de los científicos y prometen una nueva fase de exploración entre la amplia variedad de exoplanetas de la galaxia.
“Podremos ver el panorama general de las atmósferas de los exoplanetas”, dijo Laura Flagg, investigadora de la Universidad de Cornell y miembro del equipo internacional. “Es increíblemente emocionante saber que todo va a ser reescrito. Esa es una de las mejores partes de ser científico”.
El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. El Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, observará más allá de exoplanetas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. El Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, ESA (Agencia Espacial Europea) y CSA (Agencia Espacial Canadiense).
Edición: R. Castro.