Un ciclo de agua exótico y nubes de metal en el Júpiter caliente WASP-121 b

Los astrónomos exploran las condiciones atmosféricas inusuales y los fenómenos meteorológicos extraños de un exoplaneta caliente

Un grupo de astrónomos, dirigido por Thomas Mikal-Evans del Instituto Max Planck de Astronomía, realizó la primera medición detallada de las condiciones atmosféricas nocturnas de un Júpiter caliente bloqueado por mareas. Al incluir mediciones del hemisferio diurno, determinaron cómo el agua cambia de estado físico cuando se mueve entre los hemisferios del exoplaneta WASP-121 b. Mientras que los metales y minerales en el aire se evaporan en el lado cálido del día, el lado más fresco de la noche presenta nubes de metal y lluvia hecha de gemas líquidas. Este estudio, publicado en Nature Astronomy, es un gran paso para descifrar los ciclos globales de materia y energía en las atmósferas de los exoplanetas.

Impresión artística del exoplaneta WASP-121 b. Pertenece a la clase de los Júpiter calientes. Debido a su proximidad a la estrella central, la rotación del planeta está bloqueada por mareas en su órbita alrededor de la estrella. Como resultado, uno de los hemisferios de WASP-121 b siempre mira hacia la estrella, calentándola a temperaturas de hasta 3000 grados centígrados. El lado nocturno siempre está orientado hacia el espacio frío, por lo que allí es 1500 grados centígrados más frío.
© Imagen: Patricia Klein y MPIA
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El primer descubrimiento de un exoplaneta que orbitaba alrededor de una estrella similar al Sol hace más de 25 años introdujo una nueva y exótica clase de planetas, un Júpiter caliente. Los Júpiter calientes son planetas gaseosos gigantes similares a Júpiter en órbitas cercanas alrededor de sus estrellas madre, separados por solo unos pocos diámetros estelares. Debido a su proximidad, la irradiación de la estrella calienta el planeta entre varios cientos y miles de grados centígrados. De los casi 5000 exoplanetas conocidos, más de 300 son Júpiter calientes.

Utilizando el Telescopio Espacial Hubble, una colaboración internacional de científicos dirigida por Thomas Mikal-Evans del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, investigó las propiedades atmosféricas del Júpiter caliente WASP-121 b. Los astrónomos habían descubierto este exoplaneta en 2015 en la constelación Puppis a una distancia de 855 años luz. Su masa es aproximadamente un 20% mayor que la de Júpiter, mientras que WASP-121 b tiene un diámetro de casi el doble.

A pesar del descubrimiento de miles de exoplanetas, solo hemos podido estudiar las atmósferas de una pequeña fracción debido a la naturaleza desafiante de las observaciones” , señala Mikal-Evans. “Hasta ahora, la mayoría de estas mediciones han brindado información limitada, como detalles básicos sobre la composición química o la temperatura promedio en subregiones específicas de la atmósfera”.

La exploración más detallada del entorno nocturno de un exoplaneta

Esta imagen ilustra cómo una estrella ilumina y calienta el hemisferio diurno de un planeta en órbita bloqueado por mareas. De manera similar a como vemos a Venus en el Sistema Solar, dicho planeta muestra diferentes fracciones de sus lados diurno y nocturno durante una órbita, las fases. Al observar WASP-121 b, los astrónomos han monitoreado la señal planetaria en función del grado de iluminación. El espectro del hemisferio del lado diurno del planeta se obtuvo justo antes de que desapareciera detrás de la estrella. De manera similar, el espectro del lado nocturno corresponde a una fase orbital justo antes de pasar frente a la estrella.
Crédito Imagen: ESA
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Las nuevas observaciones permitieron a los astrónomos obtener la visión más detallada hasta el momento de las condiciones del hemisferio del lado nocturno de un exoplaneta. Como todos los Júpiter calientes, la rotación de WASP-121 b está bloqueada por mareas en su órbita alrededor de su estrella madre. Por lo tanto, una órbita de 30 horas alrededor de la estrella requiere la misma cantidad de tiempo que el planeta necesita para girar una vez sobre su eje. Como resultado, el hemisferio que apunta hacia la estrella siempre sufre el calor abrasador de la superficie estelar. Asimismo, el lado más fresco de la noche se enfrenta constantemente al espacio frío y oscuro. Al fusionar los datos de los hemisferios del lado diurno y nocturno, el análisis del equipo conduce a la primera visión elaborada de cómo funciona la atmósfera de un exoplaneta como un sistema global.

Para sondear toda la superficie de WASP-121 b, tomamos espectros con el Hubble durante dos revoluciones completas del planeta”, explica el coautor David Sing de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, EE. UU. Con esta técnica y con el apoyo de la modelización de los datos, el grupo sondeó la atmósfera superior de WASP-121 b en todo el planeta y, al hacerlo, observó por primera vez el ciclo completo del agua de un exoplaneta.

La imagen muestra los espectros de emisión térmica de los hemisferios del lado diurno (a) y del lado nocturno (b) del exoplaneta Júpiter caliente WASP-121 b. Seguir leyendo.
Crédito: T. Mikal-Evans et al. / MPIA.

El exótico ciclo del agua en WASP-121 b

En la Tierra, el agua cambia constantemente de estado físico. El hielo sólido se derrite en agua líquida. El agua se evapora en un gas y luego se condensa en gotitas para formar nubes. El ciclo se cierra cuando esas gotitas se convierten en gotas de lluvia que eventualmente caen para llenar ríos y océanos.

Sin embargo, los nuevos datos del Hubble revelan un ciclo de agua en WASP-121 b que se ve completamente diferente.

En el lado del planeta que mira hacia la estrella central, la atmósfera superior se calienta hasta unos 3000 grados centígrados. A tales temperaturas, el agua comienza a brillar y muchas de las moléculas incluso se descomponen en sus componentes atómicos.

 Los datos del Hubble también revelan que la temperatura cae aproximadamente 1500 grados centígrados en el hemisferio del lado nocturno. Esta diferencia de temperatura extrema entre los dos hemisferios da lugar a fuertes vientos que barren todo el planeta de oeste a este, arrastrando las moléculas de agua rotas.  Eventualmente, llegan al lado nocturno. Las temperaturas más bajas permiten que los átomos de hidrógeno y oxígeno se recombinen, formando vapor de agua nuevamente antes de que el viento vuelva al lado diurno y el ciclo se repita. Las temperaturas nunca descienden lo suficiente como para que se formen nubes de agua a lo largo del ciclo, y mucho menos la lluvia.

Nubes de metal y lluvia hechas de gemas líquidas.

En lugar de agua, las nubes de WASP-121 b consisten principalmente en metales como hierro, magnesio, cromo y vanadio. Las observaciones anteriores han revelado las señales espectrales de estos metales como gases en el lado cálido del día. Los nuevos datos del Hubble indican que las temperaturas descienden lo suficiente como para que los metales se condensen en nubes en el lado nocturno. Los mismos vientos que fluyen hacia el este y que transportan el vapor de agua a través del lado nocturno también harían volver estas nubes metálicas hacia el lado diurno, donde se evaporarían nuevamente.

Extrañamente, el aluminio y el titanio no estaban entre los gases detectados en la atmósfera de WASP-121 b. Una posible explicación de esto es que estos metales se han condensado y llovido hacia capas más profundas de la atmósfera, no accesibles para las observaciones. Esta lluvia sería diferente a todas las conocidas en el Sistema Solar. Por ejemplo, el aluminio se condensa con oxígeno para formar el corindón compuesto. Con impurezas de cromo, hierro, titanio o vanadio, lo conocemos como rubí o zafiro. Por lo tanto, las gemas líquidas podrían estar lloviendo en el hemisferio del lado nocturno de WASP-121 b.

Perspectivas con el telescopio espacial James Webb

Es emocionante estudiar planetas como WASP-121 b que son muy diferentes a los de nuestro Sistema Solar, porque nos permiten ver cómo se comportan las atmósferas en condiciones extremas”, dice la coautora Joanna Barstow de ‘The Open University’ en Milton Keynes, Reino Unido. Mikal-Evans agrega: “Para comprender mejor este planeta, vamos a observarlo con el telescopio espacial James Webb durante el primer año de funcionamiento. Al cubrir longitudes de onda más allá del rango del Hubble, estas observaciones permitirán al equipo determinar la cantidad de carbono en la atmósfera, lo que podría dar pistas sobre cómo y dónde se formó WASP-121 b en el disco protoplanetario. Las mediciones serán incluso lo suficientemente precisas como para conocer las velocidades del viento a diferentes altitudes dentro de la atmósfera.

El paper:

Thomas Mikal-Evans et al. Diurnal variations in the stratosphere of the ultrahot giant exoplanet WASP-121b. Nature Astronomy (2022), DOI: 10.1038/s41550-021-01592-w.

Fuente: Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA).

Artículo original: An exotic water cycle and metal clouds on the hot Jupiter WASP-121 b‘. February 21, 2022.

Material adicional

Mapa de temperatura del Júpiter caliente WASP-121 b. La animación proporciona el mapa de temperatura derivado de los datos obtenidos para este estudio. Crédito del video: T. Mikal-Evans (MPIA) / T. Müller (MPIA / HdA).
Medidas y propiedades de WASP-121 b. La animación ilustra las medidas obtenidas con el Telescopio Espacial Hubble para caracterizar la estratosfera de WASP-121 b. De izquierda a derecha: (a) curva de luz del exoplaneta durante una revolución completa alrededor de la estrella central, (b) mapa de temperatura de la superficie con unidades dadas en Kelvin, (c) espectro de emisión que indica la banda de agua a medida que cambia a lo largo de un ciclo. Crédito del video: T. Mikal-Evans (MPIA) / T. Müller (MPIA / HdA).
Thomas Mikal-Evans (MPIA) sobre su futura investigación con el telescopio espacial James Webb.
Crédito del video: T. Mikal-Evans (MPIA) / Markus Nielbock / Markus Pössel.

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

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
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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.  

El siguiente artículo lo presenta y contiene también una selección de recursos sobre los Júpiter Calientes que abarcan desde la formación, migración, una explicación de aquellos con órbitas excéntricas, una misión para estudiar atmósferas y, proyectos de ciencia ciudadana (para aficionados).

Un año en este planeta gigante y abrasador dura solo 16 horas

El planeta recién descubierto está relativamente cerca de su estrella, a una distancia de solo 1,5 millones de millas (2.4 mIllones de kilómetros).
Crédito Imagen: 
NASA, ESA y G. Bacon.

Un «Júpiter ultracaliente» recién descubierto tiene la órbita más corta de cualquier gigante gaseoso conocido.

Los astrónomos han descubierto uno de los Júpiter ultracalientes más extremos: un gigante gaseoso que tiene aproximadamente cinco veces la masa de Júpiter y que orbita alrededor de su estrella en solo 16 horas. La órbita del planeta es la más corta de todos los gigantes gaseosos conocidos hasta la fecha.

Curiosidades

Cheops revela un exoplaneta con forma de pelota de rugby

La misión de exoplanetas Cheops de la ESA ha revelado que un exoplaneta que orbita alrededor de su estrella anfitriona dentro de un día está deformado, siendo su apariencia más parecida a la de una pelota de rugby que a la de una esfera. Esta es la primera vez que se detecta la deformación de un exoplaneta, lo que ofrece nuevos conocimientos sobre la estructura interna de estos planetas que abrazan a su estrella anfitriona.

El planeta, conocido como WASP-103b, se encuentra en la constelación de Hércules. Ha sido deformado por las fuertes fuerzas de marea entre el planeta y su estrella anfitriona WASP-103, que es unos 200 grados más caliente y 1,7 veces más grande que el Sol.

La publicación a continuación lo expone y contiene en al apartado «Material relacionado» recursos sobre el Calentamiento por Marea Gravitatoria (Tidal Heating):

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