Un equipo de astrónomos utilizó observaciones recientes del Telescopio Espacial James Webb para estudiar la atmósfera del cercano exoplaneta WASP-107b. La atmósfera en la que se encuentran estas partículas es muy dinámica y presenta una fuerte migración de materiales.
Astrónomos de todo el mundo están utilizando las capacidades avanzadas del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) a bordo del Telescopio Espacial James Webb (JWST) para realizar observaciones innovadoras de exoplanetas: planetas que orbitan estrellas distintas al Sol. El singular exoplaneta gaseoso WASP-107b fue observado por un equipo de astrónomos europeos codirigidos por investigadores del Instituto de Astronomía de la Universidad de Lovaina.
El planeta es similar en masa a Neptuno pero mucho más grande en tamaño, casi acercándose al tamaño de Júpiter. En comparación con los planetas gigantes gaseosos del sistema solar, esta característica de WASP-107b hace que parezca bastante "esponjoso". La esponjosidad del exoplaneta permite a los astrónomos penetrar en su atmósfera unas 50 veces más profundamente que las profundidades de los planetas gigantes de nuestro sistema solar, como Júpiter.
Análisis atmosférico en profundidad.
Un equipo de astrónomos europeos aprovechó la extraordinaria esponjosidad del exoplaneta, lo que les permitió observar profundamente su atmósfera. Esta oportunidad abre una ventana a la compleja química de su atmósfera. La razón detrás de esto es muy simple: en una atmósfera menos densa, la señal o firma espectral es mucho más prominente que en una atmósfera más densa. Su reciente estudio, publicado en la revista Nature, reveló la presencia de vapor de agua, dióxido de azufre (SO2) y nubes de silicatos, pero, en particular, ningún rastro del gas de efecto invernadero metano (CH4).
Estas detecciones proporcionan información importante sobre la dinámica y la química de este fascinante exoplaneta. En primer lugar, la ausencia de metano sugiere que el interior del planeta puede ser cálido, lo que proporciona una ventana tentadora a cómo fluye la energía térmica a través de la atmósfera del planeta. En segundo lugar, el descubrimiento de dióxido de azufre (famoso por el olor a cerillas quemadas) también fue una sorpresa. Los modelos anteriores habían predicho la ausencia de dióxido de azufre, pero los nuevos modelos climáticos de la atmósfera de WASP-107b ahora sugieren que la propia esponjosidad de WASP-107b podría formar dióxido de azufre en su atmósfera. Aunque su estrella anfitriona emite relativamente pocos fotones de alta energía debido a su temperatura más fría, estos fotones pueden penetrar profundamente en la atmósfera del planeta debido a su naturaleza esponjosa. Esto permite que se produzcan las reacciones químicas necesarias para producir dióxido de azufre.
Composición y dinámica de las nubes.
Pero eso no es todo lo que observaron. En comparación con el caso sin nubes, las características espectrales tanto del dióxido de azufre como del vapor de agua están significativamente debilitadas. Las nubes a gran altitud bloquean parcialmente el vapor de agua y el dióxido de azufre en la atmósfera. Si bien se han inferido nubes en otros exoplanetas, esta es la primera vez que los astrónomos han podido determinar claramente la composición química de estas nubes. En este caso, las nubes están compuestas por pequeñas partículas de silicato, una sustancia familiar para el ser humano que se encuentra en muchas partes del mundo y es el principal componente de la arena.
"JWST está revolucionando la caracterización de exoplanetas, proporcionando conocimientos sin precedentes a un ritmo sorprendente", afirmó el autor principal, el profesor Leen Decin de KU Leuven. "El generador de imágenes de infrarrojo cercano de JWST ha descubierto nubes de arena, agua y dióxido de azufre en este exoplaneta esponjoso, un hito clave. Remodela nuestra comprensión de la formación y evolución planetaria y arroja nueva luz sobre nuestro propio sistema solar".
Temperatura y formación de nubes.
En la atmósfera terrestre, el agua se condensa en hielo a bajas temperaturas, mientras que en los planetas gaseosos, donde las temperaturas alcanzan alrededor de 1.000 grados Celsius (aproximadamente 1.800 grados Fahrenheit), las partículas de silicato se condensan en nubes. Sin embargo, la atmósfera exterior de WASP-107b tiene unos 500 grados Celsius (unos 900 grados Fahrenheit), y los modelos convencionales predicen que estas nubes de silicato deberían haberse formado en las profundidades de la atmósfera, donde las temperaturas son mucho más altas. Además, las nubes de arena en las profundidades de la atmósfera pueden provocar que llueva. Entonces, ¿cómo es posible que estas nubes de arena existan en lo alto del cielo y persistan?
El autor principal, el Dr. Michiel Min, dijo: "El hecho de que veamos estas nubes de arena en lo alto del cielo debe significar que las gotas de agua arenosa se están evaporando en las capas más profundas y de alta temperatura, y el vapor de silicato resultante se mueve efectivamente de regreso a grandes altitudes, donde se recondensa para formar nubes de silicato nuevamente. Esto es muy similar al ciclo del vapor de agua y las nubes en nuestro planeta, pero las gotas de agua están hechas de arena". La razón por la que las nubes de arena persisten en la atmósfera de WASP-107b es por este ciclo de sublimación y condensación continua a través del transporte vertical.
Avances en la investigación de exoplanetas
Esta innovadora investigación no sólo revela el extraño mundo de WASP-107b, sino que también avanza nuestra comprensión de las atmósferas de los exoplanetas. Marca un hito importante en la exploración de exoplanetas, revelando las intrincadas interacciones entre las sustancias químicas y las condiciones climáticas en estos mundos distantes.
"JWST nos permite realizar una caracterización atmosférica en profundidad de exoplanetas que no tienen equivalentes en el sistema solar, ¡y estamos revelando nuevos mundos!" dijo el autor principal, el Dr. Achrène Dyrek del CEA en París.
Diseño y desarrollo de generadores de imágenes en el infrarrojo cercano.
Gracias a la financiación proporcionada por BELSPO, la Oficina Federal de Política Científica de Bélgica, a través del programa PRODEX de la ESA, los ingenieros y científicos belgas desempeñaron un papel clave en el diseño y desarrollo del instrumento MIRI, incluido el Centro Espacial de Lieja (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi) y OIP Sensor Systems (Oudenaide). En el Instituto de Astronomía de KU Leuven, los científicos del instrumento realizaron pruebas exhaustivas del instrumento MIRI en cámaras de prueba especiales que simulaban entornos espaciales en laboratorios del Reino Unido, el Centro Goddard de la NASA y el Centro Espacial Johnson de la NASA.
Junto con colegas de Europa y Estados Unidos, llevamos casi 20 años construyendo y probando instrumentos MIRI. El Dr. Bart Vandenbussche, experto en instrumentos de KU Leuven, dijo: "Es una gran sensación ver cómo nuestros instrumentos levantan la tapa de la atmósfera de este fascinante exoplaneta".
El Dr. Jeroen Bouwman del Instituto Max Planck de Astronomía en Alemania dijo: "Este estudio combina los resultados de múltiples análisis independientes de datos de observación del JWST y refleja no sólo nuestros muchos años de inversión en la fabricación de instrumentos MIRI, sino también nuestros muchos años de inversión en herramientas de calibración y análisis de datos de observación MIRI".