Webb de la NASA revela una atmósfera de exoplaneta como nunca antes se había visto

Esta ilustración muestra cómo podría verse el exoplaneta WASP-39 b, según la comprensión actual del planeta. Los instrumentos exquisitamente sensibles del Telescopio Espacial James Webb de la NASA han proporcionado un perfil de los componentes atmosféricos de WASP-39 b e identificado una plétora de contenidos, que incluyen agua, dióxido de azufre, monóxido de carbono, sodio y potasio. Esta ilustración se basa en observaciones de tránsito indirecto de Webb, así como de otros telescopios espaciales y terrestres. Webb no ha capturado una imagen directa de este planeta. 
Crédito de la ilustración:
NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

El telescopio espacial James Webb de la NASA acaba de proporcionar el análisis más detallado de la atmósfera de un exoplaneta hasta el momento. Los investigadores también pudieron identificar el dióxido de azufre en la atmósfera, lo que solo puede explicarse mediante la fotoquímica (reacciones provocadas por la luz de las estrellas). El exoplaneta WASP-39 b también se conoce como Bocaprins, un nombre otorgado por la Unión Astronómica Internacional a una pintoresca playa en Aruba.

El telescopio espacial James Webb de la NASA acaba de obtener otra primicia: un perfil molecular y químico de los cielos de un mundo distante.

Mientras Webb y otros telescopios espaciales, incluidos el Hubble y Spitzer de la NASA, han revelado previamente ingredientes aislados de la atmósfera de este planeta en llamas, las nuevas lecturas de Webb proporcionan un menú completo de átomos, moléculas e incluso signos de química activa y nubes.

Los datos más recientes también dan una pista de cómo se verían estas nubes de cerca: divididas en lugar de una manta única y uniforme sobre el planeta.

La composición atmosférica del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b ha sido revelada por el telescopio espacial James Webb de la NASA. Este gráfico muestra cuatro espectros de transmisión de tres de los instrumentos de Webb operados en cuatro modos de instrumento. 
Todos están trazados en una escala común que se extiende de 0,5 a 5,5 micras. Arriba a la izquierda, los datos de NIRISS muestran huellas dactilares de potasio (K), agua (H2O) y monóxido de carbono (CO). En la parte superior derecha, los datos de NIRCam muestran una firma de agua prominente. En la parte inferior izquierda, los datos de NIRSpec indican agua, dióxido de azufre (SO2), dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO). En la parte inferior derecha, los datos adicionales de NIRSpec revelan todas estas moléculas, así como el sodio (Na). 
Créditos:
NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

El conjunto de instrumentos altamente sensibles del telescopio se dirigió a la atmósfera de WASP-39 b, un «Saturno caliente» (un planeta tan masivo como Saturno pero en una órbita más estrecha que Mercurio) que orbita una estrella a unos 700 años luz de distancia.

Los hallazgos son un buen augurio para la capacidad de los instrumentos de 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 sondear 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 una panoplia 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».

El telescopio espacial James Webb de la NASA hizo la primera identificación de dióxido de azufre en la atmósfera de un exoplaneta. Su presencia solo puede explicarse por la fotoquímica: reacciones químicas desencadenadas por partículas de luz estelar de alta energía. La fotoquímica es esencial para procesos en la Tierra clave para la vida como la fotosíntesis y la generación de nuestra capa de ozono. 
Créditos:
NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Centro de Astrofísica-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss

El conjunto 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 madre 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 mejor conocimiento de la conexión estrella-planeta debería traer 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, Webb siguió el paso 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 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, Webb puede detectar huellas dactilares químicas que no se pueden detectar en luz visible.

Otros constituyentes atmosféricos detectados por el telescopio Webb incluyen sodio (Na), potasio (K) y vapor de agua (H2O), lo que confirma observaciones previas de telescopios espaciales y terrestres, así como el hallazgo de huellas dactilares adicionales de agua, en estas longitudes de onda más largas, que no se han visto antes.

Webb también vio dióxido de carbono (CO2) a mayor resolución, proporcionando el doble de datos que los informados en sus observaciones anteriores. Mientras tanto, se detectó monóxido de carbono (CO), pero las firmas obvias de metano (CH4) y sulfuro de hidrógeno (H2S) estaban ausentes de los datos de 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 cientos de astrónomos analizó de forma independiente los datos de cuatro de los modos de instrumentos finamente calibrados del telescopio Webb.

«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 atmósferas de 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 madre en sus años más jóvenes.

El inventario químico de WASP-39 b sugiere una historia de aplastamientos y fusiones de cuerpos más pequeños llamados planetesimales para crear un eventual planeta gigante.

«La abundancia de azufre [en relación con] el hidrógeno indicó que el planeta presumiblemente experimentó una acumulación significativa de planetesimales que pueden entregar [estos ingredientes] a la atmósfera», dijo Kazumasa Ohno, Investigador de exoplanetas de UC Santa Cruz que trabajó en los datos de Webb. “Los datos también indican que el oxígeno es mucho más abundante que el carbono en la atmósfera. Esto indica potencialmente que WASP-39 b se formó originalmente lejos de la estrella central”.

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. Webb resolverá misterios en nuestro Sistema Solar, mirará más allá de 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 liderado por la NASA con sus socios, ESA (Agencia Espacial Europea) y CSA (Agencia Espacial Canadiense).

Los papers:

Fuente: NASA Exoplanet Exploration

Artículo original:NASA’s Webb Reveals an Exoplanet Atmosphere as Never Seen Before‘. November 22, 2022.

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