Atmósferas de pequeños planetas a través de un gran telescopio.

Imagen realizada con superficies de planetas, a partir de visualizaciones del Catálogo de exoplanetas de la NASA. Crédito: Luna Zagorac.

Nota del editor: Astrobites es una organización dirigida por estudiantes graduados que ‘digiere’ (presenta de manera comprensible y resumida) literatura astrofísica para estudiantes universitarios y público interesado. En este artículo la candidata a doctorado Luna Zagorac nos presenta un resumen del siguiente trabajo (paper) publicado días antes del lanzamiento del JWST:

Título: Detección de firmas biológicas en las atmósferas de planetas enanos gaseosos con el telescopio espacial James Webb.

Autores: Caprice Phillips, Ji Wang, Sarah Kendrew, Thomas P. Greene, Renyu Hu, Jeff Valenti, Wendy R. Panero, Joseph Schulze

Institución del primer autor: Departamento de Astronomía, Universidad Estatal de Ohio, Columbus OH EE. UU.

Estado: Publicado en ApJ [acceso abierto].

En todo el mundo, los astrónomos están emocionados…

… ¡porque el último “Gran Observatorio” se lanzará al espacio esta semana! El telescopio espacial conocido como JWST se ha hecho famoso entre los profesionales del espacio por los largos y frecuentes retrasos en su desarrollo desde su concepción en 1996. Aunque su línea de tiempo y su precio son impresionantes, no son más que pequeñas consecuencias de la exquisita ingeniería y el alucinante potencial del telescopio. Citado con mayor frecuencia como el instrumento que nos permitirá echar un vistazo al pasado más que nunca, ¡el JWST también podría buscar posibles firmas de vida en planetas fuera de nuestro Sistema Solar! Los autores de hoy explican cómo. 

Un retrato de un mundo (exo) y su atmósfera

En el planeta Tierra, estamos protegidos de los efectos adversos de nuestro Sistema Solar (como rocas voladoras y demasiada radiación) por nuestra atmósfera. Si bien nuestro hogar rocoso tiene la gravedad suficiente para mantener una atmósfera compuesta principalmente de nitrógeno (N), los planetas un poco más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno probablemente vivirían en una burbuja de hidrógeno (H). Conocidos como planetas enanos gaseosos, estos hogares potenciales son más fáciles de identificar y estudiar gracias a su mayor tamaño. Debido a sus atmósferas dominadas por hidrógeno, esperamos que estos planetas alberguen preferentemente reacciones químicas con hidrógeno, produciendo moléculas como el amoníaco (NH3). 

Sin embargo, el amoníaco no se produce espontáneamente: requiere temperaturas y presiones extremadamente altas, o la existencia de un catalizador de reacción, potencialmente desarrollado para procesos metabólicos que podrían indicar la presencia de vida. Además, el amoníaco es fácil de destruir en ambientes volcánicos, lo que significa que la presencia de amoníaco sugiere la presencia de un proceso que lo repone regularmente. Por lo tanto, en estos mundos, el amoníaco es una posible firma biológica: ¡una pista de que el planeta en cuestión podría albergar vida! 

Desafortunadamente, la presencia de amoníaco por sí sola no es suficiente para detectar vida fuera del Sistema Solar, pero prepararía el escenario para observaciones de seguimiento y ciencia aún más asombrosa. Los autores del artículo de hoy comienzan considerando siete exoplanetas cercanos del tamaño y rango de temperatura correctos. En este fragmento, nos centraremos en uno de los siete: TOI-270 c, que los autores consideran más adecuado para futuras observaciones del JWST.

¿Cómo buscaríamos amoníaco?

Un método para determinar el contenido de la atmósfera de un planeta es la espectroscopia de transmisión: medir el espectro de luz de la estrella anfitriona del planeta a medida que se filtra a través de la atmósfera del planeta en su camino hacia el detector. Idealmente, el espectro medido revelará las caídas y los picos reveladores de los espectros de absorción y emisión que están asociados con elementos y moléculas individuales. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de las firmas de amoníaco del planeta TOI-270 c. Tenga en cuenta que hay varias características de amoníaco que podríamos buscar potencialmente (a 1,0–1,5, 2,0, 2,3, 3,0, 5,5–6,5 y 10,3–10,8 µm) y que la altura de los picos depende de la cantidad de amoníaco que haya en el atmósfera en partes por millón (ppm). ¡Cuanto más amoníaco haya, más fácil será detectarlo!

Figura 1 : El espectro de amoníaco en la atmósfera de TOI-270 c para diferentes concentraciones de amoníaco en partes por millón (ppm). 
La altura del pico se da en términos de la relación entre el radio del planeta al cuadrado y el radio de la estrella al cuadrado (es decir, la cantidad de luz que se bloquea). ¡Tenga en cuenta que hay al menos 6 características de amoníaco que debe buscar
Crédito: Figura 10 en el paper.

Otra palanca que controla el espectro de las firmas de amoníaco de TOI-270 c es la presencia de una plataforma de nubes en su atmósfera. Si el planeta está envuelto en nubes, ¡y a qué altura ocurren!, cambiará significativamente su firma de amoníaco, como se muestra en la Figura 2. Los autores muestran que las firmas más identificables provendrán de una atmósfera sin nubes, o una con una plataforma de nubes a altas presiones (léase: cerca del suelo). Por otro lado, una plataforma de nubes a 0,01 bares (¡muy alto!) aplanaría la firma casi por completo, lo que haría increíblemente difícil detectar el amoníaco. 

Figura 2: El espectro de amoníaco en la atmósfera de TOI-270 c como arriba, pero ahora para diferentes cubiertas de nubes. 
Las características más notables surgen de una atmósfera sin nubes o con una capa de nubes a 1,0 bar. Las características más pequeñas se notan en una atmósfera con una cubierta de nubes a 0,1 bar, mientras que una cubierta de nubes a 0,01 bar aplana el espectro a casi una línea recta. 
Crédito: Figura 13 en el paper.

¿Podría el JWST ver estas señales?

Hay varios instrumentos a bordo del JWST que podrían usarse para buscar atmósferas llenas de amoníaco; los autores encuentran que el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija (NIRISS) son particularmente adecuados. Juntos, estos instrumentos cubren el rango de longitud de onda de las características de amoníaco ilustradas en las Figuras 1 y 2  anteriores. La pregunta es: ¿son lo suficientemente sensibles para hacer la detección?

No lo mantendré en suspenso: los resultados de los autores sugieren que la respuesta es ¡sí! Los autores usaron dos de sus espectros simulados para lo anterior, asumiendo dos porcentajes diferentes de hidrógeno en la atmósfera de TOI-270 c, y modelaron cómo serían las observaciones del JWST de dicha atmósfera para 10 tránsitos (consulte las Figuras 3 y 4). Como era de esperar, una atmósfera más rica en hidrógeno producirá una mayor relación señal-ruido (S/N). 

Figura 3: Arriba: El espectro de amoníaco en la atmósfera de TOI-270 c para una atmósfera rica en hidrógeno se muestra en naranja, mientras que los diferentes puntos negros muestran observaciones del JWST simuladas con NIRISS y dos filtros NIRSpec (G235M y G395). Los autores también muestran el rango de longitud de onda de cada uno de los instrumentos debajo del espectro. Abajo: la relación señal-ruido del espectro simulado y las observaciones. Crédito: Figura 7 en el paper.
Figura 4: La misma figura que la anterior, pero esta vez para una atmósfera más pobre en hidrógeno que se muestra en amarillo. 
Tenga en cuenta que esto da como resultado una relación señal-ruido más baja que en la Figura 3. 
Crédito: Figura 8 en el paper.

Conclusión

En las circunstancias adecuadas (atmósfera rica en hidrógeno, mucho amoníaco, sin cubierta de nubes), el JWST está bien equipado para detectar amoníaco en planetas enanos gaseosos: ¡un comienzo emocionante en un largo camino para determinar si realmente estamos solos en el Universo!

Fuente: Astrobites.

Artículo original:Atmospheres of Small Planets Through a Big Telescope‘. Luna Zagorac. Astrobites, Daily Paper Summaries. Dec 22, 2021.

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Sobre el JWST

El Telescopio espacial James Webb es el telescopio de ciencia espacial más grande, poderoso y complejo jamás construido. Webb resolverá misterios en nuestro Sistema Solar, verá más allá mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea)  y la  Agencia Espacial Canadiense.

Todo lo que acontece a diario con el JWST puedes verlo en:James Webb Space Telescope NASA BLOG.

Obtén más información sobre el Webb en:

Ver también el sitio del JWST de la Agencia Espacial Canadiense y el de la Agencia Espacial Europea:

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