Un exoplaneta recientemente estudiado, Kepler-51d, está envuelto en una capa inusualmente espesa de niebla que puede ocultar de qué está hecho y cómo se formó. Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, un equipo dirigido por investigadores de Penn State examinó más de cerca este planeta llamado “súper-puff”, que ya desafía las ideas estándar sobre cómo se desarrollan los planetas. Lo que encontraron hizo que las cosas fueran aún más confusas. La neblina que rodea al planeta parece ser la más espesa jamás detectada en la Tierra, lo que hace extremadamente difícil detectar la composición química de su atmósfera o identificar su origen.
Los resultados se publicaron el 16 de marzo. Revista astronómica.
Sistema planetario como un algodón de azúcar.
Kepler-51 es una estrella a unos 2.615 años luz de distancia en la constelación de Cygnus. Alberga cuatro planetas conocidos, al menos tres de los cuales pertenecen a una rara clase de mundos de densidad ultrabaja conocidos como super-puffs. Estos planetas tienen aproximadamente el tamaño de Saturno, pero sólo unas pocas veces la masa de la Tierra. Entre ellos, Kepler-51d destaca como el más frío y menos denso.
“Creemos que los tres planetas interiores que orbitan alrededor de Kepler-51 tienen núcleos diminutos y atmósferas masivas que les dan una densidad similar a la del algodón de azúcar”, dijo Jessica Libby-Roberts, becaria postdoctoral del Centro de Exoplanetas y Mundos Habitables en Penn State durante el estudio y primera autora del artículo. “Estos planetas de densidad ultrabaja son raros y desafían la sabiduría convencional sobre cómo se forman los gigantes gaseosos. Y si explicar cómo se formó uno no fuera lo suficientemente difícil, ¡hay tres en este sistema!”
Por qué Kepler-51d desafía los modelos de formación de planetas
Normalmente, los gigantes gaseosos se forman con núcleos densos que generan una fuerte gravedad, lo que les permite atraer y retener una densa atmósfera de gas. Estos planetas suelen evolucionar lejos de sus estrellas, donde las condiciones favorecen la acumulación de gas, similar a Júpiter y Saturno en nuestro propio sistema solar.
Kepler-51d no sigue este patrón. Parece carecer de un centro denso y orbita a una distancia de su estrella comparable a la posición de Venus con respecto al Sol.
“Kepler-51 es una estrella relativamente activa, y su viento estelar podría fácilmente expulsar gas del planeta, aunque el alcance de esta pérdida de masa durante la vida de Kepler-51d sigue siendo desconocido”, dijo Libby-Roberts, ahora profesora asistente de física y astronomía en la Universidad de Tampa. “Es posible que el planeta se formara más lejos y se moviera hacia adentro, pero todavía tenemos muchas preguntas sobre cómo se formó este planeta y los otros planetas en este sistema. ¿Produjo este sistema estos tres planetas realmente extraños, una combinación de extremos que no hemos visto en ningún otro lugar?”
Que espesa niebla se esconde
Debido a que la densidad de estos planetas es tan baja, los científicos sospechan que están formados por gases ligeros como el hidrógeno y el helio con elementos adicionales. La detección de estos elementos puede revelar dónde y cómo se formó el planeta.
Debido a que Kepler-51d está demasiado lejos para fotografiarlo directamente, los investigadores confían en un método llamado observaciones de tránsito. Cuando el planeta pasa frente a su estrella, parte de la luz estelar atraviesa la atmósfera del planeta, transportando información sobre su composición.
“La luz de una estrella se filtra a través de la atmósfera de un planeta antes de llegar a nuestro telescopio”, dijo Libby-Roberts. “Si una determinada molécula está presente en la atmósfera y absorbe luz de una determinada longitud de onda (como los objetos de diferentes colores en la Tierra absorben luz de diferentes longitudes de onda), puede bloquear la luz en esa longitud de onda. Si miramos a través de un rango de longitudes de onda, a través de un espectro, obtenemos una especie de huella digital de la reconstrucción de la atmósfera del planeta”.
Observaciones del JWST bloqueadas por una neblina extrema
Observaciones anteriores con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA capturaron luz infrarroja cercana entre aproximadamente 1,1 y 1,7 micrones. El espectrógrafo de infrarrojo cercano más avanzado de JWST amplió ese rango a 5 micrones, lo que debería haber proporcionado una firma atmosférica más clara. En cambio, los investigadores no encontraron ninguna señal distinta.
“Creemos que el planeta tiene una espesa capa de neblina que absorbe longitudes de onda de luz, por lo que en realidad no podemos ver las características que hay debajo”, dijo Subrata Mahadevan, profesor de astronomía y astrofísica en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y autor del artículo. “Este smog que vemos en Titán, la luna más grande de Saturno, contiene hidrocarburos similares al metano, pero en una escala mucho mayor. Kepler-51d parece tener una gran cantidad de smog, aproximadamente del radio de la Tierra, que sería uno de los más grandes que hemos visto hasta ahora en un planeta”.
¿Podría Ring explicar la observación?
El equipo también exploró otras explicaciones, incluida la posibilidad de que el planeta tenga anillos. Cuando se inclinan en cierto ángulo, los anillos pueden bloquear la luz de las estrellas y hacer que el planeta parezca más grande y menos denso de lo que realmente es. Sin embargo, este escenario no coincide completamente con los datos observados.
“En cambio, vemos una tendencia lineal, con más luz bloqueada en longitudes de onda más largas”, dijo Libby-Roberts. “Es inusual, y la explicación más simple es una neblina densa. Los anillos deben ser de corta duración, estar compuestos de materiales muy específicos y estar ubicados en el ángulo correcto, lo que parece poco probable, pero no podemos descartarlo por completo. Si pudiéramos observar el planeta en longitudes de onda más largas, como los componentes de infrarrojo medio del JWST, podríamos detectarlo o verlo en infrarrojo. Ver toda la extensión de la capa de neblina”.
Mirando otros planetas súper hinchados
Otras observaciones pueden ayudar a resolver el misterio. Los científicos ahora están analizando los datos del JWST de otro planeta en el mismo sistema, Kepler-51b, para determinar si todos los planetas súper hinchados comparten una atmósfera nebulosa similar o si Kepler-51d es un caso atípico.
“Antes de que los astrónomos encontraran planetas fuera de nuestro sistema solar, pensábamos que teníamos una idea bastante clara de cómo se forman los planetas”, dijo Libby-Roberts. “Pero estamos empezando a encontrar exoplanetas que no coinciden del todo con nuestro sistema solar, y tenemos estos mundos alienígenas que realmente desafían nuestra comprensión de la formación de planetas. Todavía no hemos encontrado un sistema solar como el nuestro, y poder explicar cómo se formaron todos estos planetas diferentes nos ayuda a comprender cómo encajamos en el panorama general y nuestro lugar en el universo”.
Equipo de investigación y soporte.
Además de Libby-Roberts y Mahadevan, el equipo de investigación incluye al profesor asociado de astronomía y astrofísica de Penn State, Renew Hu, y a Caleb Kanas del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, quien obtuvo un doctorado en astronomía y astrofísica en Penn State. El equipo también incluye a Aaron Bello-Aruffe, Kazumasa Ohno y Armen Tokadjian del Instituto de Tecnología de California; Zachary K. de la Universidad de Colorado Boulder. Bertha-Thompson y Catriona Murray; Yati Chachan de la Universidad de California, Santa Cruz; Yui Kawashima de la Universidad de Kioto; Kento Masuda de la Universidad de Osaka; Leslie Hebb en Hobart y William Smith College; Carolyn Morley de la Universidad de Texas en Austin; Guangwei Fu y Kevin B. de la Universidad Johns Hopkins. Stevenson; y Peter Gao del Instituto Carnegie para la Ciencia.
La NASA apoyó esta investigación a través de una subvención del JWST, con apoyo adicional del Centro de Exoplanetas y Mundos Habitables de Penn State. El trabajo computacional se realizó utilizando la Infraestructura Cibernética Avanzada del Instituto Penn State de Computación y Ciencia de Datos.
