El agua se destruye, luego renace en Júpiter ultra calientes.

WASP 121-b.
Estas vistas simuladas del ultra-Júpiter WASP-121b muestran cómo se vería el planeta para el ojo humano desde cinco posiciones diferentes, iluminadas en diferentes grados por su estrella madre. Las imágenes se crearon utilizando una simulación por computadora que se utiliza para ayudar a los científicos a comprender las atmósferas de estos planetas ultra calientes. Ultrahot Jupiters casi no reflejan la luz, como el carbón. Sin embargo, la cara diurna de los Júpiter ultrahot tienen temperaturas de entre 3600F y 5400F (2000C y 3000C), por lo que los planetas producen su propio resplandor, como una brasa caliente. El color naranja en esta imagen simulada es, por lo tanto, del propio calor del planeta. El modelo de computadora se basó en observaciones de WASP-121b realizadas utilizando los telescopios espaciales Spitzer y Hubble de la NASA. Crédito: NASA / JPL-Caltech / Vivien Parmentier / Aix-Marseille University (AMU)

Imagine un lugar donde el pronóstico del tiempo sea siempre el mismo: temperaturas abrasadoras, implacablemente soleado y con absolutamente cero posibilidades de lluvia. Este escenario infernal existe en los días permanentes de un tipo de planeta que se encuentra fuera de nuestro sistema solar y que se conoce como "Júpiter ultra caliente (ultrahot)". Estos mundos orbitan extremadamente cerca de sus estrellas, con un lado del planeta permanentemente frente a la estrella.

Lo que ha desconcertado a los científicos es por qué el vapor de agua parece faltar en las atmósferas de los mundos ultra calurosos, cuando es abundante en planetas similares pero ligeramente más fríos. Las observaciones de planetas ultra calientes por los telescopios espaciales Spitzer y Hubble de la NASA, combinados con simulaciones por computadora, han servido como un trampolín para un nuevo estudio teórico que puede haber resuelto este misterio.

Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA.
Crédito: Hubble & ESA/NASA.
Según el nuevo estudio, los Júpiteres ultra calientes poseen los ingredientes del agua (átomos de hidrógeno y oxígeno). Pero debido a la fuerte irradiación en la cara diurna del planeta, las temperaturas allí se vuelven tan intensas que las moléculas de agua se rompen por completo.

"Los días de estos mundos son hornos que se parecen más a una atmósfera estelar que a una atmósfera planetaria", dijo Vivien Parmentier, astrofísica de la Universidad de Aix Marseille en Francia y autora principal del nuevo estudio. "De esta forma, los Júpiteres ultra calientes estiramos lo que creemos que deberían ser los planetas".

Mientras que los telescopios como Spitzer y Hubble pueden recopilar alguna información sobre los días de los Júpiter ultrahot, las noches son difíciles de detectar para los instrumentos actuales. El nuevo documento propone un modelo de lo que podría estar sucediendo tanto en el lado iluminado como en el oscuro de estos planetas, basado en gran medida en observaciones y análisis del ultra caliente Júpiter conocido como WASP-121b, y de tres estudios publicados recientemente, en coautoría por Parmentier, que centrarse en los ultrahot Jupiters WASP-103b, WASP-18b y HAT-P-7b, respectivamente. El nuevo estudio sugiere que los vientos feroces pueden explotar las moléculas de agua divididas en los hemisferios del lado oscuro de los planetas. En el lado más frío y oscuro del planeta, los átomos pueden recombinarse en moléculas y condensarse en nubes, todo antes de regresar al lado del día para ser astillados de nuevo.

El agua no es la única molécula que puede experimentar un ciclo de reencarnación química en estos planetas, según el nuevo estudio. Las detecciones previas de nubes por Hubble en el límite entre el día y la noche, donde las temperaturas caen misericordiosamente, han demostrado que el óxido de titanio (popular como protector solar) y el óxido de aluminio (la base del rubí, la piedra preciosa) también podrían renacer molecularmente en la cara nocturna de los Júpiteres ultra calientes. Estos materiales incluso pueden formar nubes y llover como metales líquidos y rubíes líquidos.

Híbridos estrella-planeta.
Imagen de autor del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA.
Crédito: NASA/JPL-Caltech.
Entre el creciente catálogo de planetas fuera de nuestro sistema solar, conocidos como exoplanetas, los Júpiteres ultracalientes se han destacado como una clase distinta durante aproximadamente una década. Encontrado en órbitas mucho más cercanas a sus estrellas anfitrionas de lo que Mercurio está para nuestro Sol, los planetas gigantes están bloqueados por mareas gravitatorias, lo que significa que la misma cara del planeta siempre mira a la estrella, así como la Luna siempre presenta el mismo lado de la Tierra. Como resultado, los días de los ultrahot Jupiters se cocinan en un perpetuo mediodía. Mientras tanto, sus caras opuestas se ven atrapadas por noches perpetuas. Las temperaturas durante el día alcanzan entre 3.600 y 5.400 grados Fahrenheit (2.000 y 3.000 grados Celsius), clasificando a los Júpiter ultra calientes entre los exoplanetas más calientes de la historia. Las temperaturas nocturnas son alrededor de los 1.800 grados Fahrenheit (1.000 grados Celsius), lo suficientemente bajas como para que el agua se reforme y, junto con otras moléculas, se fundan en nubes.

Los Júpiter calientes, primos de los Júpiter ultra calientes con temperaturas nocturnas por debajo de los 3.600 grados Fahrenheit (2.000 grados Celsius), fueron el primer tipo de exoplaneta ampliamente descubierto, que comenzó a mediados de la década de 1990. El agua ha resultado ser común en sus atmósferas. Una hipótesis de por qué apareció ausente en el Júpiter ultra caliente ha sido que estos planetas se deben haber formado con niveles muy altos de carbono en lugar de oxígeno. Sin embargo, los autores del nuevo estudio dicen que esta idea no podría explicar los rastros de agua que a veces se detectan en el límite del lado nocturno junto a la cara nocturna.

Para romper el atasco, Parmentier y sus colegas tomaron el ejemplo de modelos físicos bien establecidos de las atmósferas de estrellas, así como de "estrellas fallidas", conocidas como enanas marrones, cuyas propiedades se superponen un tanto con los Júpiter calientes y ultra calientes. Parmentier adaptó un modelo de enana marrón desarrollado por Mark Marley, uno de los coautores del artículo y científico investigador del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California, para el caso de los Júpiter ultra calientes. Tratar las atmósferas de los Júpiter ultra calientes más como estrellas ardientes que los planetas convencionalmente más fríos ofreció una forma de dar sentido a las observaciones de Spitzer y Hubble.

"Con estos estudios, estamos aportando parte del conocimiento centenario adquirido al estudiar la astrofísica de las estrellas, al nuevo campo de investigación de las atmósferas exoplanetarias", dijo Parmentier.

Las observaciones de Spitzer en luz infrarroja se centraron en el monóxido de carbono en las atmósferas ultra calientes de los Júpiter. Los átomos de monóxido de carbono forman un enlace extremadamente fuerte que puede resistir de forma única el asalto térmico y radiactivo en los días de estos planetas. El brillo del monóxido de carbono resistente reveló que las atmósferas de los planetas  ultra calientes están más caliente más arriba que más abajo. Parmentier dijo que verificar esta diferencia de temperatura fue clave para investigar el resultado de No-agua del Hubble, porque una atmósfera uniforme también puede enmascarar las firmas de las moléculas de agua.

"Estos resultados son solo el ejemplo más reciente de Spitzer utilizado para la ciencia de exoplanetas, algo que no formaba parte de su manifiesto científico original", dijo Michael Werner, científico de proyectos de Spitzer en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California. "Además, siempre es alentador ver lo que podemos descubrir cuando los científicos combinan el poder de Hubble y Spitzer, dos de los Grandes Observatorios de la NASA".

Aunque el nuevo modelo describió adecuadamente muchos Jupiters ultrahot en los libros, algunos valores atípicos permanecen, lo que sugiere que aún deben entenderse aspectos adicionales de las atmósferas de estos mundos. Esos exoplanetas que no se ajustan al molde podrían tener composiciones químicas exóticas o patrones inesperados de calor y circulación. Estudios previos han argumentado que hay una cantidad de agua más significativa en la atmósfera diurna de WASP-121b que lo que se desprende de las observaciones, porque la mayor parte de la señal del agua está oscurecida. El nuevo documento proporciona una explicación alternativa para la señal de agua más pequeña de lo esperado, pero se necesitarán más estudios para comprender mejor la naturaleza de estas atmósferas ultrapuradas.

Resolver este dilema podría ser una tarea para el Telescopio Espacial James Webb de próxima generación de la NASA, programado para el lanzamiento en 2021. Parmentier y sus colegas esperan que sea lo suficientemente potente como para recoger nuevos detalles sobre los días, y también para confirmar que el agua que falta en el día y otras moléculas de interés han ido a los lados de noche de los planetas.

"Ahora sabemos que los Jupiters ultrahot muestran un comportamiento químico que es diferente y más complejo que sus primos más geniales, los Júpiter calientes", dijo Parmentier. "Los estudios de las atmósferas exoplanetas todavía están en su infancia y tenemos mucho que aprender".

El nuevo estudio se publicará en la revista Astronomy and Astrophysics.

• Publicado en Spitzer el 8 de agosto del 2.018, enlace publicación.

El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Pasadena, California, gestiona la misión del Telescopio Espacial Spitzer para la Dirección de Misión Científica de la NASA, Washington. Las operaciones científicas se llevan a cabo en el Centro de Ciencias Spitzer en Caltech en Pasadena. Las operaciones de la nave espacial se basan en Lockheed Martin Space, Littleton, Colorado. Los datos se archivan en el Infrared Science Archive ubicado en IPAC en Caltech. Caltech maneja el JPL para la NASA.

Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA. El Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el Hubble. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore lleva a cabo operaciones científicas de Hubble.

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Escrito por Adam Hadhazy