Un equipo de astrónomos dirigido por Carnegie ha descubierto la evidencia más clara hasta el momento de que un planeta rocoso fuera de nuestro sistema solar tiene atmósfera. Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, los investigadores detectaron signos de gas rodeando un objetivo inusual: una súper Tierra antigua y extremadamente caliente que probablemente tenga una superficie cubierta por roca fundida. Se publican los resultados Cartas de revistas astrofísicas.
El planeta, conocido como TOI-561 b, tiene aproximadamente el doble de masa que la Tierra, pero es dramáticamente diferente en casi todos los sentidos. Orbita muy cerca de su estrella, a sólo una cuadragésima parte de la distancia entre el Sol y Mercurio. Aunque su estrella es ligeramente más pequeña y más fría que nuestro Sol, la estrecha órbita del planeta significa que completa un año completo en sólo 10,56 horas. Un lado mira constantemente a la estrella, atrapándola en luz diurna permanente.
“Basándonos en lo que sabemos sobre otros sistemas, los astrónomos habrían predicho que un planeta así sería demasiado pequeño y podría conservar su propia atmósfera durante mucho tiempo después del calentamiento”, explicó Nicole Wallack, becaria postdoctoral de Carnegie Science y segunda autora del artículo. “Pero nuestras observaciones sugieren que está rodeado por una capa relativamente espesa de gas, lo que contradice la sabiduría convencional sobre los planetas de vida ultracorta”.
En nuestro sistema solar, los planetas que son pequeños e intensamente calientes tienden a perder sus envolturas de gas originales en una etapa temprana de su historia. Sin embargo, TOI-561 b orbita una estrella mucho más antigua que el Sol y, a pesar de sus duras condiciones, parece haber conservado su atmósfera.
Una fórmula de baja densidad apunta a una composición inusual
La posible presencia de una atmósfera puede ayudar a explicar otro enigma: la densidad del planeta menor de lo esperado.
“No es lo que llamaríamos un planeta súper esponjado, o un planeta ‘algodón de azúcar’, pero es menos denso de lo que cabría esperar si tuviera una composición similar a la de la Tierra”, dijo la astrónoma de Carnegie Science, Johanna Tesk, autora principal del estudio.
Antes de analizar los nuevos datos, el equipo consideró si la estructura del planeta era la única responsable. Una idea era que TOI-561 b podría tener un pequeño núcleo de hierro y un manto hecho de rocas más ligeras que la Tierra.
Teske añadió que esta idea se ajusta al origen del planeta: “TOI-561 b es único entre los planetas de período ultracorto porque orbita una estrella muy antigua (dos veces más antigua que el Sol) pobre en hierro en una región de la Vía Láctea conocida como disco grueso. Debe haberse formado en un entorno químico muy diferente de nuestro propio sistema químico”.
Esto sugiere que el planeta puede parecerse a un mundo que se formó a una edad mucho más temprana en el universo. Aún así, la composición por sí sola no explica completamente las observaciones.
Los datos de temperatura del JWST revelan una atmósfera oculta
El equipo de investigación también propuso que una atmósfera más espesa podría hacer que el planeta parezca más grande y, por tanto, menos denso. Para investigar esto, utilizaron el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de JWST para medir la temperatura diurna del planeta observando su brillo en luz infrarroja cercana. Este método rastrea cómo cambia la luz del sistema a medida que el planeta se mueve detrás de su estrella, una técnica que también se utiliza para estudiar planetas en el sistema TRAPPIST-1.
Si TOI-561 b no tuviera atmósfera, su temperatura diurna alcanzaría unos 4.900 grados Fahrenheit (2.700 grados Celsius). En cambio, las mediciones muestran temperaturas más bajas, de aproximadamente 3200 grados Fahrenheit (1800 grados Celsius). Si bien todavía es extremadamente caliente, esta diferencia sugiere claramente que el calor se está redistribuyendo por todo el planeta.
Viento, nubes y una atmósfera rica en volátiles
Para temperaturas más frías, los científicos han explorado varias posibilidades. Un océano de superficie fundida puede transferir algo de calor, pero sin atmósfera, el lado nocturno probablemente permanecería sólido, lo que limitaría la transferencia de calor. También puede existir una fina capa de roca en evaporación, aunque esto por sí solo no proporcionaría suficiente enfriamiento.
“Realmente necesitamos una atmósfera densa y rica en volátiles para explicar todas las observaciones”, dijo la coautora Anjali Peet, de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. “Los vientos más fuertes enfriarán el día transportando calor hacia la noche. Gases como el vapor de agua absorberán algunas longitudes de onda de la luz infrarroja cercana emitida desde la superficie antes de ascender a través de la atmósfera. (El planeta parecerá más frío porque los telescopios detectan menos luz). También es posible que las nubes estelares reflejen silicatos más fríos”.
Aunque la evidencia apunta firmemente a una atmósfera, esto plantea una pregunta más amplia. ¿Cómo podría un planeta expuesto a una radiación tan intensa retener gas? Es probable que parte del material esté escapando al espacio, pero probablemente no tan rápido como se esperaba.
Una “bola de lava húmeda” con atmósfera reciclada
Una explicación es un equilibrio entre el interior fundido del planeta y su atmósfera.
“Creemos que hay un equilibrio entre el océano de magma y la atmósfera. Al mismo tiempo que los gases salen del planeta para alimentar la atmósfera, el océano de magma los absorbe hacia el interior”, dijo el coautor Tim Lichtenberg de la Universidad de Groningen en los Países Bajos, que forma parte del estudio AT Carnegie-Emperial. (AEThER) equipo del proyecto. “Este planeta tendría que ser mucho más rico en volátiles que la Tierra para explicar la observación. Es realmente como una bola de lava húmeda”.
Teske enfatizó que el descubrimiento plantea tantas preguntas como respuestas: “Lo realmente emocionante es que este nuevo conjunto de datos abre más preguntas de las que responde”.
Las observaciones del JWST abren nuevas preguntas sobre los exoplanetas
Estos resultados provienen del Programa de Observadores Generales 3860 de JWST, que observó el sistema durante más de 37 horas mientras el planeta completaba casi cuatro órbitas. Los investigadores ahora están analizando todo el conjunto de datos para mapear los patrones de temperatura en todo el planeta y comprender mejor su composición atmosférica.
El trabajo continúa un largo legado de participación de Carnegie Science con JWST, que abarca el desarrollo inicial del telescopio y múltiples ciclos de observación. Desde que JWST comenzó sus operaciones científicas, los investigadores de Carnegie han dirigido numerosos equipos que estudian exoplanetas, galaxias y otros fenómenos cósmicos.
“Estos avances impulsados por JWST aprovechan directamente nuestras fortalezas de larga data para comprender cómo las propiedades de los exoplanetas están determinadas por la evolución y la dinámica planetarias”, dijo Michael Walter, director del Laboratorio de la Tierra y los Planetas. “Hay resultados más interesantes en el horizonte y esperamos una nueva ola de ciencia JWST liderada por Carnegie en el próximo año”.
