Webb de la NASA mide la temperatura de un exoplaneta rocoso

Un equipo internacional de investigadores ha utilizado el telescopio espacial James Webb de la NASA para medir la temperatura del exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b. La medición se basa en la emisión térmica del planeta: energía térmica emitida en forma de luz infrarroja detectada por el instrumento de infrarrojo medio de Webb (MIRI). El resultado indica que el lado diurno del planeta tiene una temperatura de unos 500 grados Kelvin (aproximadamente 450 grados Fahrenheit) y sugiere que no tiene una atmósfera significativa.

Esta ilustración muestra cómo podría verse el exoplaneta rocoso caliente TRAPPIST-1 b según este trabajo. TRAPPIST-1 b, el más interno de los siete planetas conocidos en el sistema TRAPPIST-1, orbita su estrella a una distancia de 0,011 AU, completando un circuito en solo 1,51 días terrestres. TRAPPIST-1 b es un poco más grande que la Tierra, pero tiene aproximadamente la misma densidad, lo que indica que debe tener una composición rocosa. La medición de Webb de la luz infrarroja media emitida por TRAPPIST-1 b sugiere que el planeta no tiene una atmósfera sustancial. La estrella, TRAPPIST-1, es una enana roja ultrafría (enana M) con una temperatura de solo 2566 kelvin y una masa de solo 0,09 veces la masa del Sol. Esta ilustración se basa en nuevos datos recopilados por el Instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb, así como en observaciones anteriores de otros telescopios terrestres y espaciales. Webb no ha capturado ninguna imagen del planeta. Créditos ILUSTRACIÓN: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) CIENCIA: Thomas P. Greene (NASA Ames), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

Esta es la primera detección de cualquier forma de luz emitida por un exoplaneta tan pequeño y frío como los planetas rocosos de nuestro propio sistema solar. El resultado marca un paso importante para determinar si los planetas que orbitan estrellas pequeñas activas como TRAPPIST-1 pueden sustentar las atmósferas necesarias para sustentar la vida. También es un buen augurio para la capacidad de Webb para caracterizar exoplanetas templados del tamaño de la Tierra utilizando MIRI.

“Estas observaciones realmente aprovechan la capacidad de infrarrojo medio de Webb”, dijo Thomas Greene, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA y autor principal del estudio publicado hoy en la revista Nature. “Ningún telescopio anterior ha tenido la sensibilidad para medir una luz tan tenue del infrarrojo medio”.

Planetas rocosos que orbitan enanas rojas ultrafrías

A principios de 2017, los astrónomos informaron del descubrimiento de siete planetas rocosos que orbitan una estrella enana roja ultrafría (o enana M) a 40 años luz de la Tierra. Lo notable de los planetas es su similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos internos de nuestro propio sistema solar. Aunque todos orbitan mucho más cerca de su estrella que cualquiera de nuestros planetas que orbitan alrededor del Sol, todos podrían caber cómodamente dentro de la órbita de Mercurio, reciben cantidades comparables de energía de su pequeña estrella.

TRAPPIST-1 b, el planeta más interno, tiene una distancia orbital de aproximadamente una centésima parte de la de la Tierra y recibe aproximadamente cuatro veces la cantidad de energía que la Tierra obtiene del Sol. Aunque no se encuentra dentro de la zona habitable del sistema, las observaciones del planeta pueden proporcionar información importante sobre sus planetas hermanos, así como sobre los de otros sistemas de enanas M.

"Hay diez veces más de estas estrellas en la Vía Láctea que estrellas como el Sol, y tienen el doble de probabilidades de tener planetas rocosos que estrellas como el Sol", explicó Greene. “Pero también son muy activos: son muy brillantes cuando son jóvenes y emiten bengalas y rayos X que pueden destruir una atmósfera”.

La coautora Elsa Ducrot de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA) en Francia, que formó parte del equipo que realizó estudios anteriores del sistema TRAPPIST-1, agregó: "Es más fácil caracterizar los planetas terrestres alrededor de estrellas más pequeñas y más frías". . Si queremos comprender la habitabilidad alrededor de las estrellas M, el sistema TRAPPIST-1 es un gran laboratorio. Estos son los mejores objetivos que tenemos para observar las atmósferas de los planetas rocosos”.

Comparación de la temperatura del lado diurno de TRAPPIST-1 b medida con el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb con modelos informáticos que muestran cuál sería la temperatura en diversas condiciones. Los modelos tienen en cuenta las propiedades conocidas del sistema, incluida la temperatura de la estrella y la distancia orbital del planeta. La temperatura del lado diurno de Mercurio también se muestra como referencia. El brillo del lado diurno de TRAPPIST-1 b a 15 micrones corresponde a una temperatura de unos 500 kelvins (aproximadamente 450 grados Fahrenheit). Esto es consistente con la temperatura asumiendo que el planeta está bloqueado por mareas (un lado mirando hacia la estrella en todo momento), con una superficie de color oscuro, sin atmósfera y sin redistribución de calor del lado diurno al lado nocturno. Si la energía térmica de la estrella se distribuyera uniformemente por todo el planeta (por ejemplo, mediante una atmósfera libre de dióxido de carbono circulante), la temperatura a 15 micrones sería de 400 Kelvin (260 grados Fahrenheit). Si la atmósfera tuviera una cantidad sustancial de dióxido de carbono, emitiría incluso menos luz de 15 micrones y parecería ser aún más fría. Aunque TRAPPIST-1 b es caliente para los estándares de la Tierra, es más frío que el lado diurno de Mercurio, que consiste en roca desnuda y sin atmósfera significativa. Mercurio recibe aproximadamente 1,6 veces más energía del Sol que TRAPPIST-1 b de su estrella. Créditos ILUSTRACIÓN: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) CIENCIA: Thomas P. Greene (NASA Ames), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

Detectar una atmósfera (o no)

Las observaciones anteriores de TRAPPIST-1 b con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer no encontraron evidencia de una atmósfera hinchada, pero no pudieron descartar una densa.

Una forma de reducir la incertidumbre es medir la temperatura del planeta. “Este planeta está bloqueado por mareas, con un lado mirando hacia la estrella en todo momento y el otro en oscuridad permanente”, dijo Pierre-Olivier Lagage de CEA, coautor del artículo. “Si tiene una atmósfera para circular y redistribuir el calor, el lado diurno será más fresco que si no hubiera atmósfera”.

El equipo utilizó una técnica llamada fotometría de eclipse secundario, en la que MIRI midió el cambio en el brillo del sistema a medida que el planeta se movía detrás de la estrella. Aunque TRAPPIST-1 b no es lo suficientemente caliente como para emitir su propia luz visible, tiene un brillo infrarrojo. Al restar el brillo de la estrella por sí solo (durante el eclipse secundario) del brillo de la estrella y el planeta combinados, pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta.

Esta curva de luz muestra el cambio en el brillo del sistema TRAPPIST-1 a medida que el planeta más interno, TRAPPIST-1 b, se mueve detrás de la estrella. Este fenómeno se conoce como eclipse secundario. Los astrónomos utilizaron el instrumento de infrarrojo medio de Webb (MIRI) para medir el brillo de la luz del infrarrojo medio. Cuando el planeta está al lado de la estrella, la luz emitida tanto por la estrella como por el lado diurno del planeta llega al telescopio y el sistema parece más brillante. Cuando el planeta está detrás de la estrella, la luz emitida por el planeta se bloquea y solo la luz de la estrella llega al telescopio, lo que hace que el brillo aparente disminuya. Los astrónomos pueden restar el brillo de la estrella del brillo combinado de la estrella y el planeta para calcular cuánta luz infrarroja proviene del lado diurno del planeta. Esto se usa para calcular la temperatura del lado diurno. El gráfico muestra datos combinados de cinco observaciones separadas realizadas con el filtro F1500W de MIRI, que solo permite que la luz con longitudes de onda que van de 13,5 a 16,6 micrones pase a través de los detectores. Los cuadrados azules son medidas de brillo individuales. Los círculos rojos muestran mediciones que están "agrupadas" o promediadas para que sea más fácil ver el cambio a lo largo del tiempo. La disminución del brillo durante el eclipse secundario es inferior al 0,1%. MIRI pudo detectar cambios tan pequeños como 0,027 % (o 1 parte en 3700). Esta es la primera observación de emisión térmica de TRAPPIST-1 b, o cualquier planeta tan pequeño como la Tierra y tan frío como los planetas rocosos de nuestro sistema solar. Las observaciones se repiten utilizando un filtro de 12,8 micras para confirmar los resultados y reducir las interpretaciones. Créditos ILUSTRACIÓN: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) CIENCIA: Thomas P. Greene (NASA Ames), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

Medición de cambios minúsculos en el brillo

La detección de Webb de un eclipse secundario es en sí misma un hito importante. Con la estrella más de 1.000 veces más brillante que el planeta, el cambio de brillo es inferior al 0,1 %.

“También había cierto temor de que nos perdiéramos el eclipse. Todos los planetas se tiran entre sí, por lo que las órbitas no son perfectas”, dijo Taylor Bell, el investigador postdoctoral del Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía que analizó los datos. “Pero fue simplemente increíble: la hora del eclipse que vimos en los datos coincidió con la hora prevista en un par de minutos”.

El equipo analizó datos de cinco observaciones separadas de eclipses secundarios. “Comparamos los resultados con modelos informáticos que mostraban cuál debería ser la temperatura en diferentes escenarios”, explicó Ducrot. “Los resultados son casi perfectamente consistentes con un cuerpo negro hecho de roca desnuda y sin atmósfera para hacer circular el calor. Tampoco vimos ningún signo de que el dióxido de carbono absorbiera la luz, lo que sería evidente en estas mediciones”.

Esta investigación se realizó como parte del programa 1177 de Webb Guaranteed Time Observation (GTO), que es uno de los ocho programas del primer año de ciencia de Webb diseñado para ayudar a caracterizar completamente el sistema TRAPPIST-1. Actualmente se están realizando observaciones adicionales del eclipse secundario de TRAPPIST-1 b, y ahora que saben cuán buenos pueden ser los datos, el equipo espera capturar eventualmente una curva de fase completa que muestre el cambio en el brillo en toda la órbita. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del día a la noche y confirmar si el planeta tiene atmósfera o no.

“Había un objetivo con el que soñaba tener”, dijo Lagage, quien trabajó en el desarrollo del instrumento MIRI durante más de dos décadas. “Y fue este. Esta es la primera vez que podemos detectar la emisión de un planeta templado rocoso. Es un paso realmente importante en la historia del descubrimiento de exoplanetas”.

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 dirigido por la NASA con sus socios, ESA (Agencia Espacial Europea) y CSA (Agencia Espacial Canadiense). MIRI fue aportado por la NASA y la ESA, con el instrumento diseñado y construido por un consorcio de Institutos Europeos financiados a nivel nacional (el Consorcio Europeo MIRI) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, en asociación con la Universidad de Arizona.

Contacto con los medios

Margaret W Carruthers

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland

Cristina Pulliam

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland

Enlaces y documentos relacionados

El artículo científico de T. Greene et al.

Publicado en Webb Space Telescope el 27 de marzo del 2023, enlace publicación.