Hubble observa una atmósfera cambiante en un exoplaneta

Un equipo internacional de astrónomos ha reunido y reprocesado observaciones del exoplaneta WASP-121 b que fueron recopiladas con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA en los años 2016, 2018 y 2019. Esto les proporcionó un conjunto de datos único que les permitió no solo analizar la atmósfera de WASP 121 b, pero también comparar el estado de la atmósfera del exoplaneta a lo largo de varios años. Encontraron evidencia clara de que las observaciones de WASP-121 b variaban en el tiempo. Luego, el equipo utilizó sofisticadas técnicas de modelado para demostrar que estas variaciones temporales podrían explicarse por patrones climáticos en la atmósfera del exoplaneta.

Una impresión artística que representa el exoplaneta WASP 121-b. El planeta domina el primer plano en el lado derecho de la imagen y aparece con bandas de colores rojo, amarillo y naranja. Detrás del planeta hay una estrella grande que parece similar en tamaño al exoplaneta.] Crédito: NASA, ESA, Q. Changeat et al., M. Zamani (ESA/Hubble)

Observar exoplanetas (planetas más allá de nuestro Sistema Solar) es un desafío, tanto por su distancia a la Tierra como por el hecho de que en su mayoría orbitan estrellas que son mucho más grandes y brillantes que los planetas. Esto significa que los astrónomos que han podido observar un exoplaneta con un telescopio tan sofisticado como el Hubble normalmente tienen que combinar todos sus datos para obtener suficiente información para hacer deducciones confiables sobre las propiedades del exoplaneta. Combinando las observaciones para aumentar la intensidad de la señal del exoplaneta, los astrónomos pueden construir una imagen promedio de su atmósfera, pero esto no les dice si está cambiando. En otras palabras, no pueden estudiar el tiempo en otros mundos utilizando este método de promediación. Estudiar el tiempo requiere muchos más datos de alta calidad, tomados durante un período de tiempo más amplio. Afortunadamente, el Hubble ha estado activo durante un período de tiempo tan impresionante que existe un vasto archivo de datos del Hubble, a veces con múltiples conjuntos de observaciones del mismo objeto celeste, y eso incluye el exoplaneta WASP-121 b.

WASP-121 b (también conocido como Tylos) es un Júpiter caliente bien estudiado [1] que orbita una estrella que se encuentra a unos 880 años luz de la Tierra, completando una órbita completa en un período muy rápido de 30 horas. Su proximidad extremadamente cercana a su estrella anfitriona significa que está bloqueada por las mareas [2] y que el hemisferio que mira a la estrella es muy caliente, con temperaturas que superan los 3000 Kelvin [3] . El equipo combinó cuatro conjuntos de observaciones de archivo de WASP-121 b, todas realizadas con la Cámara de Campo Amplio 3 (WFC 3) del Hubble. El conjunto de datos completo incluido incluyó observaciones de: WASP-121 b en tránsito frente a su estrella (tomada en junio de 2016); WASP-121 b transitando detrás de su estrella, también conocido como eclipse secundario (tomado en noviembre de 2016); y dos curvas de fase [4] de WASP-121 b (tomada en marzo de 2018 y febrero de 2019 respectivamente). El equipo tomó la singular medida de procesar cada conjunto de datos de la misma manera, incluso si ya había sido procesado previamente por un equipo diferente. El procesamiento de datos de exoplanetas requiere mucho tiempo y es complicado, pero aun así valió la pena porque permitió al equipo comparar directamente los datos procesados ​​de cada conjunto de observaciones entre sí. Uno de los investigadores principales del equipo, Quentin Changeat, investigador de la ESA en el Instituto Científico del Telescopio Espacial, explica:

“Nuestro conjunto de datos representa una cantidad significativa de tiempo de observación para un solo planeta y actualmente es el único conjunto consistente de observaciones repetidas. La información que extrajimos de esas observaciones se utilizó para caracterizar (inferir la química, la temperatura y las nubes) de la atmósfera de WASP-121 b en diferentes momentos. Esto nos proporcionó una imagen exquisita del planeta, cambiando en el tiempo”.

Después de limpiar cada conjunto de datos, el equipo encontró evidencia clara de que las observaciones de WASP-121 b variaban en el tiempo. Si bien los efectos instrumentales podrían persistir, los datos mostraron un cambio aparente en el punto caliente del exoplaneta [5] y diferencias en la firma espectral (que indica la composición química de la atmósfera del exoplaneta) indicativas de una atmósfera cambiante. A continuación, el equipo utilizó modelos computacionales altamente sofisticados para intentar comprender el comportamiento observado de la atmósfera del exoplaneta. Los modelos indicaron que sus resultados podrían explicarse por patrones climáticos cuasi periódicos, específicamente ciclones masivos que se crean y destruyen repetidamente como resultado de la enorme diferencia de temperatura entre el lado oscuro y el lado estrellado del exoplaneta. Este resultado representa un importante paso adelante en la observación potencial de patrones climáticos en exoplanetas. 

"La alta resolución de nuestras simulaciones de la atmósfera de exoplanetas nos permite modelar con precisión el clima en planetas ultracalientes como WASP-121 b", explicó Jack Skinner, becario postdoctoral en el Instituto de Tecnología de California y codirector de este estudio. "Aquí damos un importante paso adelante al combinar limitaciones de observación con simulaciones de la atmósfera para comprender la variación temporal del tiempo en estos planetas".

"El tiempo en la Tierra es responsable de muchos aspectos de nuestra vida y, de hecho, la estabilidad a largo plazo del clima de la Tierra y su tiempo es probablemente la razón por la que la vida podría surgir en primer lugar", añadió Changeat. "Estudiar el clima de los exoplanetas es vital para comprender la complejidad de las atmósferas de los exoplanetas, especialmente en nuestra búsqueda de exoplanetas con condiciones habitables".

Las observaciones futuras con el Hubble y otros telescopios potentes, incluido el Webb , proporcionarán una mayor comprensión de los patrones climáticos en mundos distantes y, en última instancia, posiblemente permitirán encontrar exoplanetas con climas y patrones climáticos estables a largo plazo.

Notas

[1] Los Júpiter calientes son un tipo de exoplaneta sin análogo directo en el Sistema Solar: son gigantes gaseosos inflados que orbitan muy cerca de sus estrellas madre, y a menudo realizan una órbita completa en cuestión de unos pocos días. 

[2] El bloqueo de marea se refiere a la situación en la que un cuerpo en órbita siempre presenta el mismo hemisferio al objeto que orbita. Por ejemplo, la Luna está bloqueada por las mareas con la Tierra, lo que explica por qué la superficie de la Luna siempre se ve igual desde nuestra perspectiva aquí en la Tierra. En algunos casos, los dos cuerpos pueden estar unidos entre sí por mareas, aunque este no es el caso de la Luna y la Tierra: desde la perspectiva de un astronauta en la Luna, la Tierra todavía parece girar sobre su propio eje. Los planetas bloqueados por mareas tendrán una distribución de temperatura extremadamente desigual en toda su superficie, con el hemisferio que mira a las estrellas mucho más caliente que el otro.

[3] Los Kelvins (K) son la unidad de temperatura que suelen utilizar muchos científicos, incluidos los astrónomos. Los Kelvin tienen el mismo tamaño que los grados Celsius (℃); sin embargo, la escala Kelvin está compensada con la escala Celsius, que se establece en cero en el punto de congelación del agua a una atmósfera de presión. Por el contrario, el cero en la escala Kelvin se conoce como cero absoluto y se cree que es la temperatura más baja posible, donde cesa toda actividad cinética de todas las moléculas. 0 K equivale a –273,15 ℃. 

[4] Las curvas de fase de exoplanetas muestran la cantidad variable de luz recibida de un sistema estrella-exoplaneta a medida que el exoplaneta orbita su estrella madre. 

[5] Los puntos calientes de exoplanetas son, como su nombre indica, los puntos más calientes de la superficie del exoplaneta. Si bien sería intuitivo suponer que el punto caliente siempre estará en el punto del planeta más cercano a la estrella, de hecho, muchos estudios han demostrado que los puntos calientes de exoplanetas frecuentemente están desplazados. Esto puede deberse al viento u otros patrones atmosféricos en los propios exoplanetas.

Más información

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.

El equipo internacional de astrónomos que participa en este estudio está formado por: Q. Changeat (Agencia Espacial Europea [ESA]; Instituto Científico del Telescopio Espacial [STScI], EE. UU., y Departamento de Física y Astronomía, University College London, Reino Unido [UCL]), JW Skinner (Instituto de Tecnología de California, EE.UU. y Escuela de Física Martin A. Fisher, Universidad Brandeis, EE.UU.), J. YK. Cho (Centro de Astrofísica Computacional, Instituto Flatiron, EE. UU. [Flatiron] y Escuela de Física Martin A. Fisher, Universidad Brandeis, EE. UU.), J. Nättilä (Departamento de Física y Flatiron y Laboratorio de Astrofísica de Columbia, Universidad de Columbia, EE. UU.), IP Waldmann (UCL), AF Al-Refaie (UCL), A. Dyrek (AIM, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, Francia), B. Edwards (SRON, Instituto Holandés de Investigación Espacial, Países Bajos y UCL), T. Mikal-Evans (Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania), M. Joshua (Blue Skies Space Ltd., Reino Unido), G. Morello (Departamento de Espacio, Tierra y Medio Ambiente, Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia e Instituto de Astrofísica de Canarias, España), N. Skaf, Universidad de California, Santa Cruz, A. Tsiaras (UCL), O. Venot (Univ de Paris Cite y Univ Paris Est Creteil, CNRS, LISA, Francia), KH Yip (UCL) .

Crédito de la imagen: NASA, ESA, Q. Changeat et al., M. Zamani (ESA/Hubble)

Enlaces

• Artículo científico
• Publicación en el sitio web de la ESA
• Publicación en el sitio web de STScI
• Publicación en el sitio web de la NASA

Contactos

Dr. Quentin Changeat

Investigador de la ESA en STScI

Correo electrónico: Correo electrónico: qchangeat@stsci.edu

Bethany Downer

Directora de Comunicaciones Científicas de la ESA/Hubble

Correo electrónico: Correo electrónico: Bethany.Downer@esahubble.org

Publicado en ESA/Hubble el 4 de enero del 2024, enlace publicación.