Equipos de investigación científica estadounidenses y europeos utilizaron el telescopio espacial James Webb (JWST) para descubrir diferencias significativas en las propiedades atmosféricas del "lado del amanecer" y del "lado del atardecer" de un exoplaneta ultracaliente similar a Júpiter, WASP-121 b. Esta es una de las evidencias más claras hasta la fecha, que indica que el entorno en la zona límite día-noche del planeta (región de la línea terminal) cambiará dramáticamente en diferentes longitudes. Los resultados relevantes fueron dirigidos por el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, y publicados en la revista Nature Astronomy.

El equipo de investigación, dirigido por el estudiante de doctorado del MPIA Cyril Gapp, realizó un análisis detallado de la estructura de temperatura y la composición química de la atmósfera de WASP-121 b utilizando espectros infrarrojos adquiridos por JWST durante el tránsito del planeta. Cuando un planeta pasa por su estrella madre frente a nuestra línea de visión, parte de la luz de la estrella atravesará la atmósfera del planeta y luego llegará al telescopio. Los cambios de absorción en diferentes longitudes de onda en el espectro registran información sobre la composición del gas y la temperatura en la atmósfera. El equipo descubrió que existe una clara asimetría en la absorción de luz infrarroja por la atmósfera del planeta al principio y al final del tránsito. Este desequilibrio apunta a la enorme diferencia en las condiciones atmosféricas a ambos lados de las líneas terminales "mañana" y "tarde" del planeta.

El análisis de datos muestra que el lado del atardecer del planeta (terminador vespertino) absorbe significativamente más luz estelar que el lado del amanecer, lo que es muy consistente con el patrón de viento de alta velocidad a gran escala predicho por la teoría. Los modelos existentes creen que en estos planetas gigantes gaseosos supercalientes, el lado cálido del día transporta calor al lado más frío de la noche, y el sistema de viento dominante fluye hacia el este a medida que el planeta gira, calentando así la atmósfera en el lado nocturno más intensamente. El aumento de las temperaturas hace que la atmósfera en esta región se expanda, haciendo que el "radio planetario" ópticamente equivalente sea ligeramente más grande y, por lo tanto, absorba más radiación de la estrella madre.

Las observaciones con el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) JWST también muestran que la señal de absorción de monóxido de carbono (CO) aumenta durante la segunda mitad del tránsito, mientras que el brillo general del sistema disminuye ligeramente. Los investigadores observaron que esta mejora de la señal de CO refleja principalmente cambios estructurales de temperatura en lugar de un aumento en la abundancia de monóxido de carbono per se. Por el contrario, las moléculas de agua (H₂O) muestran signos reales de disminución: las temperaturas aumentan lo suficiente como para romper las moléculas de agua en la atmósfera superior, dividiéndolas en átomos o grupos más ligeros, lo que proporciona una prueba más de que los fuertes vientos calientan la línea de meta de la tarde.

WASP-121 b es un planeta extremadamente "Júpiter caliente". Su órbita y rotación han sido bloqueadas por fuerzas de marea, y su período de rotación y período de revolución están sincronizados, ambos de aproximadamente 30 horas. Por lo tanto, el mismo lado siempre mira a la estrella madre, formando dos hemisferios de día perpetuo y noche perpetua. Estudios anteriores han demostrado que la temperatura media del lado diurno del planeta es de unos 2770 Kelvin y del lado nocturno de unos 1000 Kelvin. Cuando se convierte a Celsius, el lado diurno está cerca de 2500 grados Celsius, mientras que el lado nocturno es de aproximadamente 725 grados Celsius. Durante el tránsito, dado que el planeta está muy cerca de la estrella, a sólo unos 1,9 diámetros estelares, el propio planeta girará unos 30 grados desde la entrada hasta la salida del disco de la estrella, lo que permite al telescopio "barrer" las regiones atmosféricas en diferentes longitudes en un solo tránsito.

En términos de geometría de observación, la primera mitad del tránsito ve principalmente el lado nocturno y parte del "arco matinal" del lado diurno cerca del lado matutino, mientras que la segunda mitad del tránsito gira hacia el lado nocturno y el "arco crepuscular" en el lado vespertino. Los astrónomos utilizan espectrómetros para dividir la luz que reciben en diferentes longitudes de onda. Así como un prisma divide la luz blanca en un arco iris, diferentes gases dejan firmas de absorción en bandas de longitud de onda específicas, revelando la composición química de la atmósfera. La clave de este estudio es que el equipo no se limitó a promediar todos los datos de tránsito como en la práctica tradicional, sino que permitió que la señal espectral cambiara con el tiempo y luego restableció las diferencias atmosféricas con la longitud mediante análisis estadístico.

Cyril Gapp y sus colegas señalaron que en WASP-121 b el planeta gira unos 30 grados durante el tránsito completo, lo que es suficiente para distinguir claramente en los datos las dos líneas terminales de la "línea de la mañana" y la "línea del crepúsculo". Cuando proyectaron las señales espectrales resueltas en el tiempo en la dimensión de longitud, descubrieron que el modelo que introdujo la asimetría de longitud era significativamente mejor que el modelo tradicional que promediaba todo el tránsito. Los resultados estadísticos respaldan firmemente la conclusión de que "la atmósfera a ambos lados de la mañana y de la tarde es realmente diferente".

Para comprobar si la diferencia de temperatura era suficiente para explicar la asimetría observada, el equipo utilizó un modelo de circulación general tridimensional para simular los procesos de transporte de calor en la atmósfera superior del gigante gaseoso. Los modelos reproducen la firma de absorción asimétrica inducida por el gradiente de temperatura en las tendencias generales, pero la intensidad de la señal simulada es aún menor que las observaciones reales, lo que sugiere la posible existencia de mecanismos de enfriamiento adicionales en el lado matutino del planeta. Una posible explicación propuesta por los investigadores son las "nubes minerales": estudios anteriores creían que en WASP-121 b podría haber nubes compuestas de minerales como, por ejemplo, silicatos. No son nubes de gotas de agua, sino nubes de partículas minerales formadas a altas temperaturas.

Estas nubes minerales bloquean la radiación infrarroja de capas más profundas y calientes de la atmósfera, haciendo que la atmósfera superior parezca más fría de lo que realmente es. Sin embargo, bajo la influencia de vientos rápidos, fuertes diferencias de temperatura y una fuerte radiación continua, los procesos de formación, condensación, evaporación y transporte de partículas de las nubes son extremadamente complejos. Actualmente, la mayoría de los modelos numéricos atmosféricos no pueden incorporar completamente estos detalles microfísicos. En este estudio, los investigadores modificaron el modelo y añadieron de forma simplificada el efecto de protección de las nubes sobre la radiación infrarroja. La concordancia entre los resultados de la simulación y las observaciones JWST mejoró significativamente. Sin embargo, también enfatizaron que aún se necesitan modelos más avanzados y más observaciones para confirmar finalmente la existencia de nubes minerales en WASP-121 b.

Este trabajo no sólo revela diferencias de longitud en la propia atmósfera de WASP-121 b, sino que también demuestra una nueva forma de explorar la estructura de atmósferas extremas de exoplanetas. A medida que se mejoren aún más los modelos de circulación atmosférica y transferencia radiativa, se espera que los investigadores utilicen la misma tecnología de "tránsito giratorio" para dibujar perfiles atmosféricos meridionales similares en más planetas gigantes gaseosos supercalientes. El equipo de investigación ha seleccionado un grupo de planetas objetivo que son adecuados para observaciones similares en términos de rango de temperatura, rotación y período de revolución. En el futuro, a través de una comparación sistemática, se espera responder si existe algún patrón común en la dirección longitudinal de estos planetas extremos y cómo las diferentes condiciones físicas moldean sus entornos atmosféricos.

Según el artículo, los datos de observación del JWST utilizados en este estudio provienen de múltiples proyectos, incluido el proyecto de observación regular GO #1729 ("Curva de fase NIRSpec del planeta ultracaliente WASP-121b"), dirigido por Thomas Evans-Soma, y ​​el proyecto de observación reservado GTO #1201 ("Estudio NIRISS de la diversidad atmosférica de exoplanetas en tránsito"), dirigido por David Lafreniere. El instrumento NIRSpec fue encargado por la Agencia Espacial Europea (ESA) para ser desarrollado por la industria europea. Airbus Defence and Space en Ottobrunn, Alemania, es el contratista principal. MPIA participó en el desarrollo de componentes clave como ruedas de filtro y ruedas de rejilla. El detector y el sistema de microapertura fueron proporcionados por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.

El Telescopio Espacial James Webb es actualmente una de las instalaciones de observación astronómica espacial más importantes del mundo. Es operado conjuntamente por la Administración Nacional del Espacio (NASA), la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA). Se dedica a la exploración científica de vanguardia en muchos campos, desde la atmósfera de exoplanetas hasta las primeras galaxias del universo. Captar estas diferencias sutiles en la "línea divisoria entre el día y la noche" de mundos extremos como WASP-121 b está ayudando a los científicos a ampliar su comprensión del clima planetario y la dinámica atmosférica, y también proporciona nuevas herramientas para encontrar y evaluar las condiciones ambientales de mundos más distantes en el futuro.