Astrónomos proponen un método novedoso para encontrar atmósferas en mundos rocosos.
Buscando atmósferas de exoplanetas rocosos.
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| La impresión de este artista muestra un exoplaneta rocoso con una atmósfera tenue y nubosa que orbita una estrella enana roja. Los astrónomos han identificado un nuevo método que podría permitir que el telescopio espacial James Webb detecte la atmósfera de un exoplaneta en solo unas pocas horas de tiempo de observación. Créditos: L. Hustak y J. Olmsted (STScI). |
Cuando el telescopio espacial James Webb de la NASA se lance en 2021, una de sus contribuciones más esperadas a la astronomía será el estudio de exoplanetas, planetas que orbitan alrededor de estrellas distantes. Una de las preguntas más apremiantes en la ciencia de los exoplanetas es: ¿Puede un pequeño y rocoso exoplaneta orbitando cerca de una estrella enana roja aferrarse a una atmósfera?
En una serie de cuatro artículos publicados en el Astrophysical Journal, un equipo de astrónomos propone un nuevo método para usar Webb para determinar si un exoplaneta rocoso tiene una atmósfera. La técnica, que consiste en medir la temperatura del planeta a medida que pasa detrás de su estrella y luego vuelve a aparecer, es significativamente más rápida que los métodos más tradicionales de detección atmosférica como la espectroscopía de transmisión.
"Descubrimos que Webb podría inferir fácilmente la presencia o ausencia de una atmósfera alrededor de una docena de exoplanetas rocosos conocidos con menos de 10 horas de tiempo de observación por planeta", dijo Jacob Bean de la Universidad de Chicago, coautor de tres de los papeles.
Los astrónomos están particularmente interesados en los exoplanetas que orbitan alrededor de las estrellas enanas rojas por varias razones. Estas estrellas, que son más pequeñas y más frías que el Sol, son el tipo de estrella más común en nuestra galaxia. Además, debido a que una enana roja es pequeña, un planeta que pasa frente a ella parecerá bloquear una fracción mayor de la luz de la estrella que si la estrella fuera más grande, como nuestro Sol. Esto hace que el planeta en órbita alrededor de una enana roja sea más fácil de detectar a través de esta técnica de "tránsito".
Las enanas rojas también producen mucho menos calor que nuestro Sol, por lo que para disfrutar de temperaturas habitables, un planeta necesitaría orbitar bastante cerca de una estrella enana roja. De hecho, para estar en la zona habitable, el área alrededor de la estrella donde podría existir agua líquida en la superficie de un planeta, el planeta tiene que orbitar mucho más cerca de la estrella que Mercurio del Sol. Como resultado, transitará la estrella con más frecuencia, lo que facilitará las observaciones repetidas.
Pero un planeta que orbita tan cerca de una enana roja está sujeto a condiciones difíciles. Las enanas rojas jóvenes son muy activas, lanzando grandes erupciones y erupciones de plasma. La estrella también emite un fuerte viento de partículas cargadas. Todos estos efectos podrían eliminar la atmósfera de un planeta, dejando atrás una roca desnuda.
"La pérdida atmosférica es la principal amenaza existencial para la habitabilidad de los planetas", dijo Bean.
Otra característica clave de los exoplanetas que orbitan cerca de las enanas rojas es fundamental para la nueva técnica: se espera que estén bloqueados por la marea, lo que significa que tienen un lado permanente durante el día y la noche. Como resultado, vemos diferentes fases del planeta en diferentes puntos de su órbita. Cuando cruza la cara de la estrella, solo vemos el lado nocturno del planeta. Pero cuando está a punto de cruzar detrás de la estrella (un evento conocido como eclipse secundario), o está emergiendo desde detrás de la estrella, podemos observar el lado del día.
Si un exoplaneta rocoso carece de atmósfera, su lado diurno sería muy caluroso, tal como lo vemos con la Luna o Mercurio. Sin embargo, si un exoplaneta rocoso tiene una atmósfera, se espera que la presencia de esa atmósfera disminuya la temperatura del día que Webb mediría. Podría hacer esto de dos maneras. Una atmósfera espesa podría transportar calor del lado del día al lado de la noche a través de los vientos. Una atmósfera más delgada aún podría albergar nubes, que reflejan una parte de la luz estelar entrante, lo que reduce la temperatura del lado del planeta.
"Cada vez que agrega una atmósfera, va a bajar la temperatura del lado del día. Entonces, si vemos algo más fresco que la roca desnuda, inferiríamos que es probablemente una señal de una atmósfera ", explicó Daniel Koll, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), el autor principal de dos de los artículos.
Webb es ideal para realizar estas mediciones porque tiene un espejo mucho más grande que otros telescopios como los telescopios espaciales Hubble o Spitzer de la NASA, lo que le permite recolectar más luz y puede apuntar a las longitudes de onda infrarrojas apropiadas.
Los cálculos del equipo muestran que Webb debería ser capaz de detectar la firma de calor de la atmósfera de un planeta en uno o dos eclipses secundarios, solo unas pocas horas de tiempo de observación. En contraste, la detección de una atmósfera a través de observaciones espectroscópicas normalmente requeriría ocho o más tránsitos para estos mismos planetas.
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| El espejo dorado del telescopio espacial James Webb. Dentro de la sala limpia del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, el telescopio espacial dorado James Webb se ve desde arriba con sus brazos de espejo secundarios guardados. Esta es la posición en la que estará el espejo secundario durante el lanzamiento. En los próximos meses, los ingenieros instalarán otros elementos clave y tomarán medidas adicionales para garantizar que el telescopio esté listo para el espacio. Los espejos del telescopio están cubiertos por una capa de oro microscópicamente delgada, que los optimiza para reflejar la luz infrarroja, que es la longitud de onda primaria de la luz que observará este telescopio. Para garantizar que el espejo sea fuerte y liviano, el equipo fabricó los espejos con berilio. Cada segmento de espejo es aproximadamente del tamaño de una mesa de café y pesa aproximadamente 20 kilogramos (46 libras). Una película muy fina de oro vaporizado cubre cada segmento para mejorar el reflejo del espejo de la luz infrarroja. El espejo completamente ensamblado es más grande que cualquier cohete, por lo que sus dos lados se pliegan. Detrás de cada espejo hay varios motores para que el equipo pueda enfocar el telescopio en el espacio. El telescopio espacial James Webb es el sucesor científico del telescopio espacial Hubble de la NASA. Será el telescopio espacial más poderoso jamás construido. Webb estudiará muchas fases en la historia de nuestro universo, incluida la formación de sistemas solares capaces de soportar la vida en planetas similares a la Tierra, así como la evolución de nuestro propio sistema solar. Su objetivo es lanzarlo desde la Guayana Francesa a bordo de un cohete Ariane 5 en 2018. Webb es un proyecto internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense. Crédito de la imagen: NASA / Chris Gunn. |
La espectroscopía de transmisión, que estudia la luz de las estrellas filtrada a través de la atmósfera del planeta, también sufre interferencias debido a nubes o peligros, que pueden enmascarar las firmas moleculares de la atmósfera. En ese caso, la gráfica espectral, en lugar de mostrar líneas de absorción pronunciadas debido a las moléculas, sería esencialmente plana.
"En la espectroscopía de transmisión, si obtienes una línea plana, no te dice nada. La línea plana podría significar que el universo está lleno de planetas muertos que no tienen atmósfera, o que el universo está lleno de planetas que tienen una amplia gama de atmósferas diversas e interesantes, pero todos nos parecen iguales porque ' está nublado ", dijo Eliza Kempton, de la Universidad de Maryland, coautora de tres de los artículos.
"Las atmósferas de exoplanetas sin nubes y neblinas son como unicornios, simplemente no las hemos visto todavía y es posible que no existan en absoluto", agregó.
El equipo enfatizó que una temperatura más fría de lo esperado durante el día sería una pista importante, pero no confirmaría absolutamente la existencia de una atmósfera. Cualquier duda que quede sobre la presencia de una atmósfera puede descartarse con estudios de seguimiento que usen otros métodos como la espectroscopía de transmisión.
La verdadera fuerza de la nueva técnica será determinar qué fracción de exoplanetas rocosos probablemente tenga una atmósfera. Aproximadamente una docena de exoplanetas que son buenos candidatos para este método fueron detectados durante el año pasado. Es probable que se encuentren más para cuando Webb esté operativo.
"El satélite de estudio Exoplaneta en tránsito, o TESS, está encontrando pilas de estos planetas", dijo Kempton.
El método del eclipse secundario tiene una limitación clave: funciona mejor en planetas que están demasiado calientes para ubicarse en la zona habitable. Sin embargo, determinar si estos planetas calientes albergan atmósferas tiene importantes implicaciones para los planetas de zonas habitables.
"Si los planetas calientes pueden retener una atmósfera, los más fríos también deberían poder hacerlo", dijo Koll.
El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencia espacial del mundo cuando se lance en 2021. 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 eso. Webb es un proyecto internacional liderado por la NASA con sus socios, ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
Por Christine Pulliam / Laura Betz
Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland / NASA Goddard
Enlaces de interés:
- Una nueva vista de exoplanetas con Webb.
- Los astrónomos encuentran un lugar extraño y cálido en un exoplaneta.
- Lunas heladas, cúmulos de galaxias y mundos distantes entre objetivos seleccionados para el telescopio espacial James Webb.
Artículos publicados en el Astrophysical Journal:
- Identificación de atmósferas candidatas en planetas rocosos en enanas rojas (M) a través de fotometría de eclipse.
- Identificación de atmósferas en exoplanetas rocosos a través del alto albedo inferido.
- Análisis de perfiles de temperatura atmosférica y espectros de planetas rocosos en estrellas enanas rojas o de clase espectral M.
• Publicado el 2 de diciembre del 2019, enlace publicación.
