Los astrónomos proporcionan una ‘guía de campo’ para los exoplanetas conocidos como júpiter calientes

Al combinar las observaciones del telescopio espacial Hubble con modelos teóricos, un equipo de astrónomos ha obtenido conocimientos sobre la composición química y física de una variedad de exoplanetas conocidos como Júpiter calientes. Los hallazgos proporcionan una nueva y mejorada «guía de campo» para este grupo de planetas e informan ideas sobre la formación de planetas en general.  

La impresión de este artista muestra un planeta «Júpiter caliente» orbitando cerca de una de las estrellas en el rico y antiguo cúmulo de estrellas Messier 67, ubicado entre 2.500 y 3.000 años luz de la Tierra en la constelación de Cáncer (El Cangrejo).
Crédito: ESO / L. Calçada.

Los Júpiter calientes, planetas gaseosos gigantes que corren alrededor de sus estrellas anfitrionas en órbitas extremadamente estrechas, se han vuelto un poco menos misteriosos gracias a un nuevo estudio que combina modelos teóricos con observaciones del Telescopio Espacial Hubble.

Si bien los estudios anteriores se centraron principalmente en mundos individuales clasificados como «Júpiter calientes» debido a su similitud superficial con el gigante gaseoso de nuestro propio Sistema Solar, el nuevo estudio es el primero en observar una población más amplia de mundos extraños. Publicado en Nature Astronomy, el estudio, dirigido por un investigador de la Universidad de Arizona, proporciona a los astrónomos una «guía de campo» sin precedentes para los Júpiter calientes y ofrece información sobre la formación de planetas en general.

Características de los Júpiter Calientes

Aunque los astrónomos piensan que solo 1 de cada 10 estrellas alberga un exoplaneta de la clase Júpiter caliente, estos planetas peculiares constituyen una parte considerable de los exoplanetas descubiertos hasta la fecha, debido al hecho de que son más grandes y brillantes que otros tipos de exoplanetas, como planetas rocosos, más parecidos a la Tierra o planetas gaseosos más pequeños y fríos. Con un tamaño que varía desde aproximadamente un tercio del tamaño de Júpiter hasta 10 masas de Júpiter, todos los Júpiter calientes orbitan a sus estrellas anfitrionas a un rango extremadamente cercano, generalmente mucho más cerca de lo que Mercurio, el planeta más interno de nuestro Sistema Solar, está del Sol. Un «año» en un típico Júpiter caliente dura horas, o como mucho unos pocos días. A modo de comparación, Mercurio tarda casi tres meses en completar un viaje alrededor del Sol.

Debido a sus órbitas cercanas, se cree que la mayoría, si no todos, los Júpiter calientes están bloqueados en un abrazo de alta velocidad con sus estrellas anfitrionas, con un lado eternamente expuesto a la radiación de la estrella y el otro envuelto en una oscuridad perpetua. La superficie de un Júpiter caliente típico puede alcanzar casi los 5.000 grados Fahrenheit (2760 grados Celsius), y las muestras «más frías» alcanzan los 1.400 grados (760 grados Celsius), lo suficientemente calientes como para derretir el aluminio.

Observando los espectros de emisión de los Júpiter Calientes con el Hubble: el método del eclipse secundario

La investigación, que fue dirigida por Megan Mansfield, becaria Sagan de la NASA en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona, utilizó observaciones realizadas con el Telescopio Espacial Hubble que permitieron al equipo medir directamente los espectros de emisión de Júpiter calientes, a pesar de que el Hubble no puede tomar una imagen de cualquiera de estos planetas directamente.

«Estos sistemas, estas estrellas y sus Júpiter calientes, están demasiado lejos para resolver la estrella individual y su planeta», dijo Mansfield. «Todo lo que podemos ver es un punto: la fuente de luz combinada de los dos».

Mansfield y su equipo utilizaron un método conocido como eclipse secundario para extraer información de las observaciones que les permitió mirar profundamente en las atmósferas de los planetas y obtener información sobre su estructura y composición química. La técnica implica observaciones repetidas del mismo sistema, capturando el planeta en varios lugares de su órbita, incluso cuando se sumerge detrás de la estrella.

«Básicamente, medimos la luz combinada que proviene de la estrella y su planeta y comparamos esa medida con lo que vemos cuando el planeta está escondido detrás de su estrella», dijo Mansfield. «Esto nos permite restar la contribución de la estrella y aislar la luz emitida por el planeta, aunque no podamos verla directamente»

La atmósfera turbulenta de un planeta gaseoso y caliente conocido como HD 80606b se muestra en esta simulación basada en datos del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA. El planeta pasa la mayor parte de su tiempo lejos de su estrella, pero cada 111 días, se balancea extremadamente cerca de la estrella, experimentando una explosión masiva de calor.
Crédito: NASA / JPL-CalTech

Información obtenida. Investigando la composición química de las atmósferas utilizando los espectros de absorción en el infrarrojo

Los datos del eclipse proporcionaron a los investigadores información sobre la estructura térmica de las atmósferas de los Júpiter calientes y les permitieron construir perfiles individuales de temperaturas y presiones para cada uno. Luego, el equipo analizó la luz del infrarrojo cercano, que es una banda de longitudes de onda más allá del rango que los humanos pueden ver, proveniente de cada sistema de Júpiter caliente para las llamadas características de absorción.  Debido a que cada molécula o átomo tiene su propio perfil de absorción específico, como una huella digital, observar diferentes longitudes de onda permite a los investigadores obtener información sobre la composición química de los Júpiter calientes. Por ejemplo, si hay agua en la atmósfera del planeta, absorberá luz a 1,4 micrones, que cae dentro del rango de longitudes de onda que el Hubble puede ver muy bien.

«En cierto modo, utilizamos moléculas para explorar las atmósferas de estos Júpiter calientes», dijo Mansfield. «Podemos usar el espectro que observamos para obtener información sobre de qué está hecha la atmósfera, y también podemos obtener información sobre cómo se ve la estructura de la atmósfera»

Dando un paso más allá. Resultados acerca de la composición y procesos físicos en las atmósferas de los Júpiter calientes

El equipo fue un paso más allá al cuantificar los datos de observación y compararlos con modelos de los procesos físicos que se cree que funcionan en las atmósferas de los Júpiter calientes. Los dos conjuntos coincidieron muy bien, lo que confirma que muchas predicciones sobre la naturaleza de los planetas, basadas en el trabajo teórico, parecen ser correctas, según Mansfield, quien dijo que los hallazgos son «emocionantes porque no estaban garantizados».  

Los resultados sugieren que es probable que todos los Júpiter calientes, no solo los 19 incluidos en el estudio, contengan conjuntos similares de moléculas, como agua y monóxido de carbono, junto con cantidades más pequeñas de otras moléculas. Las diferencias entre planetas individuales deberían ascender principalmente a cantidades relativas variables de estas moléculas. Los hallazgos también revelaron que las características de absorción de agua observadas variaron ligeramente de un Júpiter caliente a otro.

«Tomados en conjunto, nuestros resultados nos dicen que hay una buena posibilidad de que sepamos los elementos del panorama general que están sucediendo en la química de estos planetas», dijo Mansfield. «Al mismo tiempo, cada planeta tiene su propia composición química, y eso también influye en lo que vemos en nuestras observaciones».

Aplicaciones de los resultados y perspectivas futuras

Según los autores, los resultados pueden usarse para orientar las expectativas de lo que los astrónomos podrían ver al mirar un Júpiter caliente que no se ha estudiado antes. El lanzamiento del telescopio insignia de noticias de la NASA, el Telescopio Espacial James Webb, programado para el 18 de Diciembre, ha emocionado a los cazadores de exoplanetas porque Webb puede ver en un rango mucho más amplio de luz infrarroja y permitirá una visión mucho más detallada de los exoplanetas, incluidos los Júpiter calientes.

«Hay muchas cosas que todavía no sabemos sobre cómo se forman los planetas en general, y una de las formas en que intentamos comprender cómo podría suceder es mirando las atmósferas de estos Júpiter calientes y descubriendo cómo llegaron a estar donde están», dijo Mansfield. «Con los datos del Hubble, podemos observar las tendencias mediante el estudio de la absorción de agua, pero cuando hablamos de la composición de la atmósfera en su conjunto, hay muchas otras moléculas importantes que deseamos observar, como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, y JWST nos dará la oportunidad de observarlos también».

Fuente: Universidad de Arizona.

Artículo original:Astronomers Provide ‘Field Guide’ to Exoplanets Known as Hot Jupiters‘. Daniel Stolte. October 21, 2021.

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Investigando el misterio de la migración de los Júpiter Calientes

Los astrónomos observaron al exoplaneta  HD 80606b calentarse y enfriarse en su órbita. Ver Imagen completa y pie de foto.
Créditos: NASA / JPL-Caltech / MIT

La última década ha visto una bonanza  de  descubrimientos de exoplanetas. Cerca de 2.000 exoplanetas – planetas fuera de nuestro Sistema Solar – se han confirmado hasta el momento, y se han identificado más de 5.000 candidatos a exoplanetas. Muchos de estos mundos exóticos pertenecen a una clase conocida como “Júpiter calientes”. Estos son gigantes gaseosos como Júpiter, pero mucho más calientes, con órbitas que los llevan “febrilmente” cerca de sus estrellas.

En un primer momento, los Júpiter calientes fueron considerados una rareza, ya que no tenemos nada parecido en nuestro propio Sistema Solar. Pero a medida que fueron encontrados más, además de muchos otros planetas más pequeños que orbitan muy cerca de sus estrellas, nuestro Sistema Solar comenzó a parecer como el desajuste real.

“Pensábamos que nuestro Sistema Solar era normal, pero eso no es el caso”, dijo el astrónomo Greg Laughlin de la Universidad de California, Santa Cruz, co-autor de un nuevo estudio del telescopio espacial Spitzer de la NASA que investiga la formación de los  Júpiter calientes.

Los  Júpiter calientes conocidos ahora por lo comunes que son, todavía están envueltos en el misterio. ¿Cómo se formaron estos orbes masivos, y cómo terminan de manera sorprendentemente cerca de sus estrellas?

El siguiente artículo lo explica, presentando las teorías de formación propuestas, estudiando el caso particular del Júpiter caliente 80606b HD. Contiene además recursos sobre los Júpiter Calientes.

Las simulaciones explican exoplanetas gigantes con órbitas excéntricas cercanas a su estrella.

Esta representación artística ilustra la colisión de dos planetas rocosos. Un nuevo estudio propone un escenario en el que las colisiones entre planetas gigantes gaseosos pueden conducir a fusiones y a la formación de gigantes gaseosos de alta masa con órbitas cercanas a su estrella anfitriona. 
Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech.

Una fase de impactos gigantes en la evolución de los sistemas planetarios puede explicar las observaciones de planetas gigantes cercanos a su estrella con órbitas excéntricas.

A medida que los sistemas planetarios evolucionan, las interacciones gravitacionales entre planetas pueden arrojar a algunos de ellos a órbitas elípticas excéntricas alrededor de la estrella anfitriona, o incluso fuera del sistema por completo. Los planetas más pequeños deberían ser más susceptibles a esta dispersión gravitacional, sin embargo, se han observado muchos exoplanetas gigantes de gas con órbitas excéntricas muy diferentes de las órbitas más o menos circulares de los planetas en nuestro propio Sistema Solar.

La publicación a continuación lo aborda y además contiene una colección de recursos sobre los Júpiter calientes.

Desentrañando la historia de la formación de los Júpiter calientes

Para comprender cómo y dónde se pueden formar los planetas, los astrónomos deben mirar a los extremos. Uno de los descubrimientos más exóticos en la investigación de exoplanetas ha sido de una clase de planetas conocidos como Júpiter calientes. Estos son mundos gaseosos, con cientos de veces la masa de la Tierra, que orbitan a sus estrellas anfitrionas en solo unos días. Dado el papel principal que tuvo Júpiter en la configuración del Sistema Solar, es crucial comprender cómo se forman los planetas gigantes gaseosos en una variedad de entornos:

Una misión de exploración de atmósferas planetarias

Un espectro de ejemplo que Ariel podría medir a partir de la luz que atraviesa la atmósfera de un exoplaneta. 
Crédito: ESA / STFC RAL Space / UCL / Agencia Espacial del Reino Unido / ATG Medialab.

¿Cómo se relaciona la composición de un planeta con su estrella anfitriona? La misión ARIEL de la Agencia Espacial Europea (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) está diseñada para investigar la cuestión, examinando atmósferas planetarias. El objetivo es determinar la composición, la temperatura y los procesos químicos en funcionamiento en una gran muestra de sistemas planetarios.

Proyectos de Ciencia Ciudadana con exoplanetas (un poco de historia)

La observatorio espacial Kepler de la NASA fue una de las herramientas más poderosas en la búsqueda de planetas extrasolares. El conjunto de datos de Kepler no tiene precedentes y tiene una precisión fotométrica increíble. Las curvas de luz de Kepler se pusieron a disposición del público. Las computadoras del Equipo Kepler están revisando los datos, pero el Proyecto Planet Hunters  apuesta a que habrá planetas que solo se pueden encontrar a través de la notable capacidad humana para el reconocimiento de patrones:

La Guía para los Instructores del Proyecto elaborada por la NASA:

Un resultado notable surgido del Proyecto es, la primera vez que se descubre un Júpiter caliente con otros planetas muy cercanos a él. Durante mucho tiempo, no estaba claro si los Júpiter Calientes podrían tener “amigos cercanos”, ya que podrían desestabilizar las órbitas de los amigos durante la migración. Este descubrimiento abre nuevas preguntas sobre cómo se forman estos sistemas: es posible que exista más de un mecanismo de migración para los Júpiter calientes:

Luego del Fallo del Telescopio Kepler comenzó una segunda etapa de la Misión, llamada K2 culminada en Octubre de 2018, que recogió una enorme base de datos para estudiar y dio origen al Proyecto de Ciencia Ciudadana:

Un resultado importante surgido de Exoplanets Explorers es el siguiente:

Los Científicos pasarán 10 años analizando los datos de Kepler. Su sucesor TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) que ya está recogiendo datos, dio origen al proyecto de Ciencia Ciudadana sucesor de Planet Hunter:

El Proyecto de Ciencia Ciudadana para búsqueda de exoplanetas en los datos recogidos por los telescopios del Observatorio “Las Cumbres”:

Un nuevo Planet Hunters!: Planet Hunters: NGTS

Imagen: los telescopios NGTS en Paranal, con el Very Large Telescope de ESO visible al fondo.
Crédito de la imagen: G. Lambert.

Un nuevo miembro de la familia PlanetHunters, Planet Hunters: NGTS es nuestro primer proyecto que utiliza datos de un estudio terrestre: la búsqueda de tránsito de próxima generación con base en Paranal en el desierto de Atacama en Chile. Los doce telescopios de NGTS tienen como objetivo encontrar planetas alrededor de las estrellas más brillantes; la esperanza es que, a diferencia de la gran cantidad de planetas encontrados con Kepler de la NASA, que proporcionó datos para los Planet Hunters originales, estos serán objetivos a los que se les puede dar seguimiento con más observaciones diseñadas para caracterizar su masa, composición y atmósferas.

Ver también:

Curiosidades

Retrato de la atmósfera de un Neptuno caliente

La impresión de este artista muestra LTT 9779b cerca de la estrella que orbita. Destaca el lado diurno ultracaloroso (2000 Kelvin) del planeta y su lado nocturno bastante caluroso (alrededor de 1000 K).
Crédito ilustración: Ethen Schmidt.

Un equipo de investigación ha analizado datos de los telescopios espaciales TESS y Spitzer de la NASA. Logró retratar por primera vez la atmósfera de un tipo de exoplaneta muy inusual denominado «Neptuno caliente».

El documento detalla la primera caracterización atmosférica espectral de un planeta descubierto por TESS. También el primer mapa de temperatura global de un planeta TESS con una atmósfera. Por último, detalla un Neptuno caliente cuyo espectro de emisión es fundamentalmente diferente de los muchos «Júpiter calientes» más grandes estudiados previamente. A continuación el artículo.

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