Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial James Webb (JWST) han descubierto diferencias sorprendentes entre las regiones del amanecer y del anochecer del exoplaneta supercaliente WASP-121 b. Estas zonas límite, conocidas como terminadores, marcan la transición entre el lado diurno permanente y el lado nocturno permanente del planeta. Los hallazgos aún proporcionan evidencia clara de que las dos regiones tienen diferentes temperaturas y composiciones atmosféricas, lo que confirma predicciones que anteriormente sólo existían en modelos teóricos.
El descubrimiento provino de mediciones de la luz infrarroja de las estrellas que atraviesa la atmósfera del planeta cuando WASP-121 b pasó frente a su estrella anfitriona. Al examinar cómo la atmósfera filtraba esa luz durante el tránsito, los investigadores encontraron un patrón desigual de absorción.
Según el equipo, la asimetría se explica mejor por las diferencias de temperatura y química entre los lados matutino y vespertino del planeta.
“Con su calidad de observación sin precedentes, JWST nos brinda la visión más detallada hasta ahora de planetas distantes: al medir cómo cambia la absorción de luz de la estrella a medida que WASP-121 b gira, examinamos su atmósfera longitud por longitud”, dijo Cyril Gap, MPIA.
Las observaciones muestran que los terminadores vespertinos absorben más luz que los terminadores matutinos. Esto es consistente con las ideas actuales sobre fuertes vientos atmosféricos que transportan calor desde el lado diurno intensamente caluroso al lado nocturno más frío. A medida que estos vientos se mueven hacia el este, hacia la rotación del planeta, calientan con más fuerza la región vespertina.
A medida que aumenta la temperatura, la atmósfera se expande. Una atmósfera más grande presenta una sección transversal más grande a la luz estelar entrante, lo que le permite absorber más radiación.
Los datos recopilados con el instrumento NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de JWST también revelaron una fuerte señal de monóxido de carbono (CO) al final del tránsito. Los investigadores creen que este cambio se debe a efectos de la temperatura más que a un aumento real en la abundancia de monóxido de carbono.
Agua (H2O) cuenta una historia diferente. Las observaciones sugieren que las moléculas de agua son menos abundantes en las regiones atmosféricas más cálidas. Los científicos interpretan esto como una pérdida real de agua porque las temperaturas en la atmósfera superior son lo suficientemente altas como para descomponer las moléculas de agua en sus elementos constituyentes. Este hallazgo proporciona evidencia adicional de que el aire caliente está calentando el terminador nocturno.
Un planeta de día y noche permanentes.
Detectar diferencias atmosféricas tan sutiles requiere aprovechar una característica común de los gigantes gaseosos en órbita cercana.
Con el tiempo, las fuerzas de marea sincronizan la rotación del planeta con su órbita, lo que hace que una rotación demore el mismo tiempo que un viaje alrededor de su estrella. Como resultado, un hemisferio está constantemente mirando a las estrellas y el otro está perpetuamente en la oscuridad.
“WASP-121b es particularmente extremo, con temperaturas diurnas promedio de alrededor de 2770 Kelvin, mientras que las temperaturas nocturnas rondan los 1000 Kelvin”, explicó el coautor Tom Evans-Soma de la Universidad de Newcastle, Australia. Anteriormente determinó el rango de temperatura del planeta y también está asociado con el MPIA.
Esta temperatura corresponde a unos 2500 °C (4525 °F) durante el día y unos 725 °C (1340 °F) durante la noche.
A medida que el planeta transita por su estrella, gira ligeramente entre el principio y el final del evento. Esta pequeña rotación permite a los astrónomos observar diferentes secciones de la atmósfera. Aunque el lado nocturno es principalmente visible, los científicos también pueden ver partes de las regiones del amanecer y del anochecer y, dependiendo de la fase del tránsito, incluso pequeñas áreas cerca del lado diurno ardiente.
La cara anterior de la órbita corresponde al terminador matutino, mientras que la cara posterior corresponde al terminador vespertino.
Convirtiendo tiempos de tránsito a mapas atmosféricos
Para estudiar la atmósfera, los investigadores analizaron cómo cambiaba el brillo del planeta a lo largo del tránsito. También examinaron los espectros, que se crean cuando la luz se divide en las longitudes de onda que la componen, de forma muy parecida a los prismas para crear arco iris.
Diferentes gases absorben longitudes de onda de luz específicas, lo que permite a los científicos identificar las sustancias químicas presentes en la atmósfera.
A medida que el planeta gira a medida que se mueve a través de la cara de su estrella, los cambios en la señal a lo largo del tiempo corresponden a las diferentes longitudes del planeta. Durante un tránsito completo, WASP-121 b gira aproximadamente 30 grados, suficiente para distinguir los terminadores de la mañana (amanecer) y del anochecer (anochecer) con notable precisión.
Los astrónomos suelen combinar todas las mediciones de tránsito en una única señal promedio para mejorar la claridad. Sin embargo, en este estudio, Gap y sus colegas permiten que la señal cambie con el tiempo a medida que el planeta gira. El análisis estadístico mostró que este método coincidía notablemente bien con las observaciones, proporcionando pruebas sólidas de que las diferencias atmosféricas son reales.
Faltan nubes potenciales en el modelo actual
Para comprender las observaciones, los investigadores realizaron simulaciones por computadora del transporte de calor en la atmósfera superior de un gigante gaseoso. Los modelos reprodujeron con éxito la asimetría general causada por las diferencias de temperatura, pero el efecto observado fue más fuerte de lo previsto.
Esta discrepancia sugiere que procesos adicionales pueden estar afectando la atmósfera.
Una posibilidad es que el terminador de la mañana experimente un frío adicional que los modelos actuales no logran capturar. Investigaciones anteriores han sugerido que pueden existir nubes en esta región. A diferencia de las nubes en la Tierra, probablemente estén compuestas de minerales similares a silicatos en lugar de gotas de agua.
Estas nubes pueden bloquear la radiación infrarroja de las capas más cálidas inferiores, haciendo que la atmósfera parezca más fría de lo que realmente es.
Modelar la formación, condensación y evaporación de nubes en un entorno que cambia rápidamente es extremadamente difícil. Como resultado, muchos modelos de atmósfera de exoplanetas utilizados en estos estudios no incorporan completamente la física de las nubes.
Cuando el equipo modificó sus simulaciones para aproximarse a los efectos de las nubes, los resultados se alinearon más estrechamente con las observaciones. Aún así, se necesitarán modelos más avanzados antes de que los investigadores puedan confirmar la presencia de nubes en WASP-121 b.
Una nueva forma de estudiar exoplanetas extremos
Las mejoras futuras en los modelos atmosféricos pueden hacer que esta técnica sea aún más sólida.
Los investigadores ya han identificado otros gigantes gaseosos supercalientes con temperaturas y velocidades de rotación adecuadas para estudios similares. Al aplicar el mismo método a una muestra más grande de planetas, los astrónomos esperan comparar cambios en las condiciones atmosféricas en diferentes mundos y obtener una comprensión más profunda de su estructura tridimensional.
Información adicional
Los astrónomos del MPIA involucrados en este estudio fueron Cyril Gapp (también Universidad de Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (también Universidad de Newcastle, Australia) y Eva-Maria Aherer.
Otros investigadores son: Aurelian Falco (Universidad de la Sorbona, París, Francia), David K. Singh (Universidad Johns Hopkins, Baltimore, EE.UU.), Shashank Dholakia (Universidad de Queensland, Santa Lucía, Australia), Vivienne Parmentier (Universidad de la Côte, Universidad Nicecon), Francia. (Université Bordeaux, Francia) y Guangwei Fu (Universidad Johns Hopkins).
Las observaciones JWST utilizadas en este estudio se realizaron como parte del Programa GO n.º 1729 (IP: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) titulado “Una curva de fase NIRSpec para el Júpiter ultracaliente WASP-121b” y el Programa GTO n.º 1201 (PI: la David Belloreni) Explora la diversidad de exoplanetas en tránsito (NEAT)”.
NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) fue construido por la industria europea según las especificaciones de la Agencia Espacial Europea (ESA) y gestionado por el proyecto JWST de la ESA en ESTEC (Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial), Países Bajos. El contratista principal fue Airbus Defence and Space en Ottobrunn, Alemania. MPIA contribuye al desarrollo y producción de filtros y ruedas de rejilla de NIRSpec. El detector NIRSpec y los subsistemas de matriz de microobturadores fueron proporcionados por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC) de la NASA.
El Telescopio Espacial James Webb es el observatorio líder mundial para la investigación espacial. Es un programa internacional liderado por la NASA y sus socios ESA y CSA (Agencia Espacial Canadiense).
