Webb revela la atmósfera tórrida de un planeta lejano con exquisito detalle

El Telescopio Espacial James Webb de la NASA ha capturado la firma distintiva del agua, junto con evidencia de nubes y neblina, en la atmósfera que rodea un planeta gigante de gas caliente e hinchado que orbita una estrella distante similar al Sol.

Un espectro de transmisión realizado a partir de una sola observación utilizando el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija (NIRISS) de Webb revela las características atmosféricas del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-96 b. Se crea un espectro de transmisión comparando la luz de las estrellas filtrada a través de la atmósfera de un planeta a medida que se mueve a través de la estrella, con la luz de las estrellas sin filtrar detectada cuando el planeta está al lado de la estrella. Cada uno de los 141 puntos de datos (círculos blancos) en este gráfico representa la cantidad de luz de una longitud de onda específica que es bloqueada por el planeta y absorbida por su atmósfera. En esta observación, las longitudes de onda detectadas por NIRISS oscilan entre 0,6 micras (rojo) y 2,8 micras (en el infrarrojo cercano). La cantidad de luz estelar bloqueada oscila entre unas 13.600 partes por millón (1,36 por ciento) y 14.700 partes por millón (1,47 por ciento). Los investigadores pueden detectar y medir la abundancia de gases clave en la atmósfera de un planeta en función del patrón de absorción: las ubicaciones y alturas de los picos en el gráfico: cada gas tiene un conjunto característico de longitudes de onda que absorbe. La temperatura de la atmósfera se puede calcular basándose en parte en la altura de los picos: un planeta más caliente tiene picos más altos. Se pueden inferir otras características, como la presencia de neblina y nubes, en función de la forma general de las diferentes partes del espectro. Las líneas grises que se extienden por encima y por debajo de cada punto de datos son barras de error que muestran la incertidumbre de cada medición o el rango razonable de valores reales posibles. Para una sola observación, el error en estas medidas es notablemente pequeño. La línea azul es un modelo de mejor ajuste que tiene en cuenta los datos, las propiedades conocidas de WASP-96 b y su estrella (por ejemplo, tamaño, masa, temperatura) y las características supuestas de la atmósfera. Los investigadores pueden variar los parámetros en el modelo, cambiando características desconocidas como la altura de las nubes en la atmósfera y la abundancia de varios gases, para obtener un mejor ajuste y comprender mejor cómo es realmente la atmósfera. La diferencia entre el modelo de mejor ajuste que se muestra aquí y los datos simplemente refleja el trabajo adicional que se debe realizar para analizar e interpretar los datos y el planeta. Aunque el análisis completo del espectro llevará más tiempo, es posible sacar una serie de conclusiones preliminares. Los picos marcados en el espectro indican la presencia de vapor de agua. La altura de los picos de agua, que es menor de lo esperado según las observaciones anteriores, es evidencia de la presencia de nubes que suprimen las características del vapor de agua. La pendiente descendente gradual del lado izquierdo del espectro (longitudes de onda más cortas) es indicativa de una posible neblina. La altura de los picos junto con otras características del espectro se utiliza para calcular una temperatura atmosférica de aproximadamente 1350 °F (725 °C). Este es el espectro de transmisión de exoplanetas infrarrojos más detallado jamás recopilado, el primer espectro de transmisión que incluye longitudes de onda de más de 1,6 micras con una resolución y precisión tan altas, y el primero en cubrir todo el rango de longitud de onda desde 0,6 micras (luz roja visible) hasta 2,8 micras. (infrarrojo cercano) en un solo disparo. La velocidad con la que los investigadores han podido realizar interpretaciones fiables del espectro es una prueba más de la calidad de los datos. La observación se realizó utilizando el modo de espectroscopia sin hendidura de un solo objeto (SOSS) de NIRISS, que consiste en capturar el espectro de un solo objeto brillante, como la estrella WASP-96, en un campo de visión. WASP-96 b es un exoplaneta gigante de gas caliente que orbita una estrella similar al Sol a aproximadamente 1150 años luz de distancia, en la constelación de Phoenix. El planeta orbita extremadamente cerca de su estrella (menos de 1/20 de la distancia entre la Tierra y el Sol) y completa una órbita en menos de 3½ días terrestres. El descubrimiento del planeta, basado en observaciones desde tierra, se anunció en 2014. La estrella, WASP-96, es algo más antigua que el Sol, pero tiene aproximadamente el mismo tamaño, masa, temperatura y color. La ilustración de fondo de WASP-96 b y su estrella se basa en la comprensión actual del planeta a partir de la espectroscopia NIRISS y de observaciones anteriores desde tierra y desde el espacio. Webb no ha capturado una imagen directa del planeta o su atmósfera. NIRISS fue aportado por la Agencia Espacial Canadiense. El instrumento fue diseñado y construido por Honeywell en colaboración con la Universidad de Montreal y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá. Para obtener una gama completa de las primeras imágenes y espectros de Webb. Créditos: ILUSTRACIÓN: NASA, ESA, CSA, STScI

La observación, que revela la presencia de moléculas de gas específicas basadas en pequeñas disminuciones en el brillo de colores de luz precisos, es la más detallada de su tipo hasta la fecha, lo que demuestra la capacidad sin precedentes de Webb para analizar atmósferas a cientos de años luz de distancia.

Mientras que el Telescopio Espacial Hubble ha analizado numerosas atmósferas de exoplanetas en las últimas dos décadas, capturando la primera detección clara de agua en 2013, la observación inmediata y más detallada de Webb marca un gran paso adelante en la búsqueda de caracterizar planetas potencialmente habitables más allá de la Tierra.

WASP-96 b es uno de los más de 5000 exoplanetas confirmados en la Vía Láctea. Ubicado aproximadamente a 1.150 años luz de distancia en la constelación del cielo austral de Phoenix, representa un tipo de gigante gaseoso que no tiene un análogo directo en nuestro sistema solar. Con una masa inferior a la mitad de la de Júpiter y un diámetro 1,2 veces mayor, WASP-96 b es mucho más hinchado que cualquier planeta que orbite alrededor de nuestro Sol. Y con una temperatura superior a 1000°F, es significativamente más caliente. WASP-96 b orbita extremadamente cerca de su estrella similar al Sol, solo una novena parte de la distancia entre Mercurio y el Sol, completando un circuito cada 3½ días terrestres.

La combinación de gran tamaño, período orbital corto, atmósfera hinchada y falta de luz contaminante de objetos cercanos en el cielo hace que WASP-96 b sea un objetivo ideal para las observaciones atmosféricas.

El 21 de junio, el espectrógrafo sin rendija y generador de imágenes de infrarrojo cercano de Webb (NIRISS) midió la luz del sistema WASP-96 durante 6,4 horas mientras el planeta se movía a través de la estrella. El resultado es una curva de luz que muestra la atenuación general de la luz de las estrellas durante el tránsito y un espectro de transmisión que revela el cambio de brillo de longitudes de onda individuales de luz infrarroja entre 0,6 y 2,8 micrones.

Si bien la curva de luz confirma las propiedades del planeta que ya se habían determinado a partir de otras observaciones (la existencia, el tamaño y la órbita del planeta), el espectro de transmisión revela detalles previamente ocultos de la atmósfera: la firma inequívoca del agua, indicaciones de neblina, y evidencia de nubes que se pensaba que no existían en base a observaciones anteriores.

Se crea un espectro de transmisión comparando la luz estelar filtrada a través de la atmósfera de un planeta a medida que se mueve a través de la estrella con la luz estelar sin filtrar detectada cuando el planeta está al lado de la estrella. Los investigadores pueden detectar y medir la abundancia de gases clave en la atmósfera de un planeta en función del patrón de absorción: las ubicaciones y alturas de los picos en el gráfico. De la misma manera que las personas tienen huellas dactilares y secuencias de ADN distintivas, los átomos y las moléculas tienen patrones característicos de longitudes de onda que absorben.

El espectro de WASP-96 b capturado por NIRISS no solo es el espectro de transmisión de infrarrojo cercano más detallado de la atmósfera de un exoplaneta capturado hasta la fecha, sino que también cubre una gama notablemente amplia de longitudes de onda, incluida la luz roja visible y una parte del espectro. que no ha sido accesible previamente desde otros telescopios (longitudes de onda superiores a 1,6 micras). Esta parte del espectro es particularmente sensible al agua, así como a otras moléculas clave como el oxígeno, el metano y el dióxido de carbono, que no son inmediatamente evidentes en el espectro WASP-96 b pero que deberían ser detectables en otros exoplanetas planeados para la observación de Webb. .

Los investigadores podrán usar el espectro para medir la cantidad de vapor de agua en la atmósfera, restringir la abundancia de varios elementos como el carbono y el oxígeno, y estimar la temperatura de la atmósfera con profundidad. Luego pueden usar esta información para hacer inferencias sobre la composición general del planeta, así como sobre cómo, cuándo y dónde se formó. La línea azul en el gráfico es un modelo de mejor ajuste que tiene en cuenta los datos, las propiedades conocidas de WASP-96 b y su estrella (por ejemplo, tamaño, masa, temperatura) y las características supuestas de la atmósfera.

Una curva de luz del Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) de Webb muestra el cambio en el brillo de la luz del sistema estelar WASP-96 a lo largo del tiempo a medida que el planeta transita por la estrella. Un tránsito ocurre cuando un planeta en órbita se mueve entre la estrella y el telescopio, bloqueando parte de la luz de la estrella. Esta observación se realizó utilizando el modo de espectroscopia sin hendidura de un solo objeto (SOSS) de NIRISS, que consiste en capturar el espectro de un solo objeto brillante, como la estrella WASP-96, en un campo de visión. Para capturar estos datos, Webb observó el sistema estelar WASP-96 durante 6 horas y 23 minutos, comenzando aproximadamente 2 horas y media antes del tránsito y terminando aproximadamente 1 hora y media después de que se completara el tránsito. El tránsito en sí duró poco menos de 2 horas y media. La curva incluye un total de 280 mediciones de brillo individuales, una cada 1,4 minutos. Debido a que la observación se realizó con un espectrógrafo, que dispersa la luz en cientos de longitudes de onda individuales, cada uno de los 280 puntos del gráfico representa el brillo combinado de miles de longitudes de onda de luz infrarroja. La atenuación real causada por el planeta es extremadamente pequeña: la diferencia entre los puntos más brillantes y los más tenues es inferior al 1,5 por ciento. NIRISS es ideal para esta observación porque tiene la capacidad de observar objetivos relativamente brillantes a lo largo del tiempo, junto con la sensibilidad necesaria para medir diferencias de brillo tan pequeñas: En esta observación, el instrumento pudo medir diferencias de brillo tan pequeñas como 0,02 por ciento. Aunque la presencia, el tamaño, la masa y la órbita del planeta ya se habían determinado en base a observaciones de tránsito anteriores, esta curva de luz de tránsito se puede usar para confirmar y refinar las mediciones existentes, como el diámetro del planeta, el momento del tránsito y las propiedades orbitales del planeta. WASP-96 b es un exoplaneta gigante de gas caliente que orbita una estrella similar al Sol a aproximadamente 1150 años luz de distancia, en la constelación de Phoenix. El planeta orbita extremadamente cerca de su estrella (menos de 1/20 de la distancia entre la Tierra y el Sol) y completa una órbita en menos de 3½ días terrestres. El descubrimiento del planeta, a partir de observaciones desde tierra, se anunció en 2014. La ilustración de fondo de WASP-96 b y su estrella similar al Sol se basa en la comprensión actual del planeta a partir de la espectroscopia NIRISS y de observaciones previas desde tierra y desde el espacio. . Webb no ha capturado una imagen directa del planeta o su atmósfera. NIRISS fue aportado por la Agencia Espacial Canadiense. El instrumento fue diseñado y construido por Honeywell en colaboración con la Universidad de Montreal y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá. Créditos: ILUSTRACIÓN: NASA, ESA, CSA, STScI

El detalle excepcional y la claridad de estas medidas son posibles gracias al diseño de vanguardia de Webb. Su espejo recubierto de oro de 270 pies cuadrados recoge la luz infrarroja de manera eficiente. Sus espectrógrafos de precisión dispersan la luz en arcoíris de miles de colores infrarrojos. Y sus sensibles detectores infrarrojos miden diferencias extremadamente sutiles en el brillo. NIRISS es capaz de detectar diferencias de color de solo una milésima de micra (la diferencia entre el verde y el amarillo es de unas 50 milésimas de micra), y diferencias en el brillo entre esos colores de unos pocos cientos de partes por millón.

Además, la extrema estabilidad de Webb y su ubicación orbital alrededor del Punto 2 de Lagrange, aproximadamente a un millón de millas de distancia de los efectos contaminantes de la atmósfera de la Tierra, permite una vista ininterrumpida y datos limpios que se pueden analizar con relativa rapidez.

El espectro extraordinariamente detallado, realizado al analizar simultáneamente 280 espectros individuales capturados durante la observación, proporciona solo una pista de lo que Webb tiene reservado para la investigación de exoplanetas. Durante el próximo año, los investigadores utilizarán la espectroscopia para analizar las superficies y atmósferas de varias docenas de exoplanetas, desde pequeños planetas rocosos hasta gigantes ricos en gas y hielo. Casi una cuarta parte del tiempo de observación del Ciclo 1 de Webb se dedica al estudio de los exoplanetas y los materiales que los forman.

Esta observación de NIRISS demuestra que Webb tiene el poder de caracterizar las atmósferas de los exoplanetas, incluidas las de los planetas potencialmente habitables, con exquisito detalle.

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. 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 él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

La sede de la NASA supervisa la misión de la Dirección de Misión Científica de la agencia. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra Webb para la agencia y supervisa el trabajo en la misión realizada por el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Northrop Grumman y otros socios de la misión. Además de Goddard, varios centros de la NASA contribuyeron al proyecto, incluido el Centro Espacial Johnson de la agencia en Houston, el Laboratorio de Propulsión a Chorro en el sur de California, el Centro de Vuelo Espacial Marshall en Huntsville, Alabama, el Centro de Investigación Ames en Silicon Valley de California y otros.

NIRISS fue aportado por la Agencia Espacial Canadiense. El instrumento fue diseñado y construido por Honeywell en colaboración con la Universidad de Montreal y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá.

Para obtener una gama completa de las primeras imágenes y espectros de Webb, incluidos los archivos descargables, visite: https://webbtelescope.org/news/first-images

Créditos: NASA, ESA, CSA, STScI

• Publicado en Webb Sapace Telescope el 12 de julio del 2022, enlace publicación.