Observaciones del Hubble utilizadas para responder preguntas clave sobre exoplanetas
Un equipo internacional de astrónomos ha analizado las observaciones de archivo de 25 Júpiter calientes realizadas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA, lo que les ha permitido responder cinco preguntas abiertas importantes para nuestra comprensión de las atmósferas de los exoplanetas. Entre otros hallazgos, el equipo descubrió que la presencia de óxidos e hidruros metálicos en las atmósferas de los exoplanetas más calientes estaba claramente relacionada con la inversión térmica de las atmósferas.
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| Impresión artística de 25 Júpiteres calientes Las observaciones de archivo de 25 Júpiteres calientes realizadas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA han sido analizadas por un equipo internacional de astrónomos, lo que les ha permitido responder cinco preguntas abiertas importantes para nuestra comprensión de las atmósferas de los exoplanetas. Entre otros hallazgos, el equipo descubrió que la presencia de óxidos e hidruros metálicos en las atmósferas de los exoplanetas más calientes estaba claramente relacionada con la inversión térmica de las atmósferas. Crédito: ESA/Hubble, N. Bartmann |
El campo de la ciencia de los exoplanetas hace tiempo que cambió su enfoque de solo la detección a la caracterización [1], aunque la caracterización sigue siendo un gran desafío. Hasta el momento, la mayor parte de la investigación sobre caracterización se ha dirigido a la modelización o estudios centrados en uno o unos pocos exoplanetas. Este nuevo trabajo, dirigido por investigadores del University College London (UCL), utilizó la mayor cantidad de datos de archivo jamás examinados en un solo estudio de atmósfera de exoplanetas para analizar las atmósferas de 25 exoplanetas. La mayoría de los datos provienen de observaciones tomadas con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. El autor principal, Quentin Changeat, explica: "Hubble permitió la caracterización en profundidad de 25 exoplanetas, y la cantidad de información que aprendimos sobre su química y formación, gracias a una década de intensas campañas de observación, es increíble".
El equipo científico trató de encontrar respuestas a cinco preguntas abiertas sobre las atmósferas de los exoplanetas, un objetivo ambicioso que lograron alcanzar. Sus preguntas probaron qué H– [2] y ciertos metales [3] pueden decirnos sobre la química y la circulación de las atmósferas de exoplanetas, y sobre la formación de planetas. Eligieron investigar una amplia gama de Júpiter calientes [4], con la intención de identificar tendencias dentro de su población de muestra que pudieran proporcionar información sobre las atmósferas de los exoplanetas en general. El colíder del estudio, Billy Edwards de UCL y el Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternativas (CEA), dijo: "Nuestro artículo marca un punto de inflexión para el campo: ahora estamos pasando de la caracterización de atmósferas de exoplanetas individuales a la caracterización de las poblaciones atmosféricas".
Para investigar su muestra de 25 exoplanetas, el equipo volvió a analizar una enorme cantidad de datos de archivo [5], consistentes en 600 horas de observaciones del Hubble, que complementaron con más de 400 horas de observaciones del Telescopio Espacial Spitzer. Sus datos contenían eclipses para los 25 exoplanetas y tránsitos para 17 de ellos. Un eclipse ocurre cuando un exoplaneta pasa por detrás de su estrella visto desde la Tierra, y un tránsito ocurre cuando un planeta pasa por delante de su estrella. Los datos de eclipses y tránsitos pueden proporcionar información crucial sobre la atmósfera de un exoplaneta.
La encuesta a gran escala arrojó resultados, y el equipo pudo identificar algunas tendencias y correlaciones claras entre las constituciones atmosféricas de los exoplanetas y el comportamiento observado. Algunos de sus hallazgos clave se relacionaron con la presencia o ausencia de inversiones térmicas [6] en las atmósferas de su muestra de exoplanetas. Descubrieron que casi todos los exoplanetas con una atmósfera térmicamente invertida eran extremadamente calientes, con temperaturas superiores a los 2000 Kelvin. Es importante destacar que está lo suficientemente caliente como para que las especies metálicas TiO (óxido de titanio), VO (óxido de vanadio) y FeH (hidruro de hierro) sean estables en una atmósfera. De los exoplanetas que muestran inversiones térmicas, se encontró que casi todos tenían H–, TiO, VO o FeH en sus atmósferas.
Siempre es un desafío sacar inferencias de tales resultados, porque la correlación no necesariamente es igual a la causalidad. Sin embargo, el equipo pudo proponer un argumento convincente de por qué la presencia de H–, TiO, VO o FeH podría conducir a una inversión térmica, a saber, que todas estas especies metálicas son absorbentes muy eficientes de la luz estelar. Podría ser que las atmósferas de los exoplanetas lo suficientemente calientes como para sostener a estas especies tiendan a invertirse térmicamente porque luego absorben tanta luz estelar que sus atmósferas superiores se calientan aún más. Por el contrario, el equipo también descubrió que los Júpiter más fríos y calientes (con temperaturas inferiores a 2000 Kelvin y, por lo tanto, sin H–, TiO, VO o FeH en sus atmósferas) casi nunca tenían atmósferas térmicamente invertidas.
Un aspecto importante de esta investigación fue que el equipo pudo usar una gran muestra de exoplanetas y una cantidad extremadamente grande de datos para determinar tendencias, que pueden usarse para predecir el comportamiento en otros exoplanetas. Esto es extremadamente útil porque proporciona información sobre cómo se pueden formar los planetas y también porque permite a otros astrónomos planificar observaciones futuras de manera más efectiva. Por el contrario, si un artículo estudia un solo exoplaneta con gran detalle, aunque es valioso, es mucho más difícil extrapolar tendencias. Una mejor comprensión de las poblaciones de exoplanetas también podría acercarnos a resolver misterios abiertos sobre nuestro propio Sistema Solar. Como dice Changeat: "Muchas cuestiones, como los orígenes del agua en la Tierra, la formación de la Luna y las diferentes historias evolutivas de la Tierra y Marte, siguen sin resolverse a pesar de nuestra capacidad para obtener mediciones in situ. Grandes estudios de población de exoplanetas , como el que presentamos aquí, apuntan a comprender esos procesos generales".
Notas
[1] La caracterización de exoplanetas implica investigar las propiedades físicas (como el radio) y las propiedades químicas (como la composición atmosférica) de un exoplaneta. Es crucial tanto para comprender mejor la formación y evolución de los planetas como para determinar si los procesos complejos, como la evolución y el mantenimiento de la vida, podrían ser posibles en un exoplaneta.
[2] H– es un ion de hidrógeno negativo que se ha formado por la disociación de una molécula como H2 (hidrógeno) o H2O (agua). Estas moléculas se disocian a temperaturas muy altas (más de 2500 Kelvin o 2227 °C).
[3] En astronomía, un 'metal' se define como cualquier elemento con más protones en su núcleo que el hidrógeno o el helio (que tienen uno y dos protones respectivamente). Por lo tanto, la "metalicidad" es una medida de cuántos elementos o moléculas están presentes que no son hidrógeno o helio.
[4] Los Júpiter calientes son una clase informal de exoplanetas con órbitas de período corto (que orbitan alrededor de su estrella madre en aproximadamente diez días o menos) y atmósferas gaseosas grandes e infladas. Son de particular interés porque i) son relativamente fáciles de detectar y ii) no hay un Júpiter caliente dentro de nuestro Sistema Solar, por lo que tenemos que buscar exoplanetas para estudiarlos.
[5] Los datos de archivo son datos que el equipo no recopiló específicamente para esta investigación, sino que fueron recopilados por otro(s) equipo(s) para un propósito inicial diferente y ahora están disponibles públicamente. El reanálisis y la reutilización de los datos de archivo pueden ser una forma extremadamente rentable y ambientalmente efectiva de obtener nuevos resultados.
[6] Una inversión térmica es un fenómeno natural en el que la atmósfera de un planeta o exoplaneta no se enfría constantemente con el aumento de la altitud, sino que pasa de enfriarse a calentarse a mayor altitud. Se cree que las inversiones térmicas ocurren debido a la presencia de ciertas especies metálicas en la atmósfera. Por ejemplo, la atmósfera terrestre tiene una inversión térmica que se debe a la presencia de ozono (O3).
Más información
El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.
Estos resultados han sido publicados en la serie de suplementos de Astrophysical Journal.
El equipo internacional de astrónomos de este estudio está formado por: Q. Changeat (University College London, Reino Unido [UCL]), B. Edwards (UCL y Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternativas [CEA], Université Paris-Saclay , Université de Paris, Francia), A. F. Al-Refaie (UCL), A. Tsiaras (UCL y Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florencia, Italia), J. W. Skinner (Universidad Queen Mary de Londres, Reino Unido), J. Y-K. Cho (Centro de Astrofísica Computacional, Instituto Flatiron, Nueva York, EE. UU.), K. H. Yip (UCL), L. Anisman (UCL), M. Ikoma (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Tokio, Japón y The Graduate University for Advanced Studies [ SOKENDAI], Tokio, Japón), M. F. Bieger (Universidad de Exeter, Reino Unido), O. Venot (Universidad de París y Université Paris Est Creteil, Francia), S. Shibata (Universidad de Zúrich, Suiza), I. P. Waldmann (UCL ), G. Tinetti (UCL).
Crédito de la imagen: ESA/Hubble, N. Bartmann
Enlaces
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Contactos
Quentin Changeat
Colegio Universitario de Londres
Reino Unido
Correo electrónico: quentin.changeat.18@ucl.ac.uk
Betania Downer
Director de Comunicaciones Científicas de ESA/Hubble
Correo electrónico: Bethany.Downer@esahubble.org
• Publicado en ESA/Hubble el 25 de abril del 2002, enlace publicación.
