Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), un equipo de astrónomos dirigido por MPIA tomó imágenes de un nuevo planeta orbitando una estrella en el cercano sistema triple Epsilon Indi. El planeta es un frío superJúpiter con una temperatura de unos 0 grados centígrados y una órbita alrededor del Sol más amplia que Neptuno. Estas mediciones sólo fueron posibles gracias a las incomparables capacidades de obtención de imágenes de JWST en el infrarrojo térmico. Esto ilustra el potencial para encontrar muchos planetas similares en masa, temperatura y órbita a Júpiter. Su estudio mejorará nuestro conocimiento sobre cómo se forman y evolucionan los gigantes gaseosos con el tiempo.
“Nos emocionamos cuando nos dimos cuenta de que habíamos fotografiado este nuevo planeta”, dijo Elizabeth Matthews, investigadora del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania. Es la autora principal del artículo de investigación principal publicado en la revista. La naturaleza. “Para nuestra sorpresa, el punto brillante visto en nuestras imágenes MIRI no coincidía con la ubicación que esperábamos para el planeta”, explica Matthews. “Estudios anteriores identificaron correctamente un planeta en este sistema, pero subestimaron la masa y la separación orbital de este gigante gaseoso súper Júpiter”. Con la ayuda de JWST, el equipo pudo establecer el récord.
Este hallazgo es bastante inusual en varios aspectos. Muestra el primer exoplaneta fotografiado con JWST que aún no ha sido fotografiado desde la Tierra y es mucho más frío que los planetas gaseosos que JWST ha estudiado hasta ahora. Una “imagen” significa que el planeta aparece como un punto brillante en las imágenes y, por tanto, representa una evidencia directa. Los modos de tránsito y movimiento radial son evidencia indirecta, ya que el planeta se manifiesta sólo a través de su influencia mediadora.
Las observaciones del JWST actualizan las mediciones anteriores.
El planeta orbita el componente central del cercano sistema estelar triple Epsilon Indi, o EPS Indi para abreviar. Las convenciones de etiquetado astronómico asignan la etiqueta Eps Ind A a esta estrella primaria, una estrella enana roja que es ligeramente más pequeña y más fría que el Sol. Para formar el nombre de un planeta, se añade una “b”, lo que da como resultado la designación Eps Ind Ab.
Los nuevos datos del JWST son consistentes con un superJúpiter con una masa seis veces mayor que la de Júpiter en el Sistema Solar. Eps Ind Ab orbita su estrella anfitriona en una órbita elíptica y excéntrica cuya separación más lejana de Eps Ind A debería estar entre 20 y 40 AU. Una unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol, unos 150 millones de kilómetros. Los nuevos valores son bastante diferentes de los de estudios anteriores, por lo que el equipo decidió llamarlo un planeta “nuevo”.
Planetas fríos, ciencia candente
Hasta la fecha, sólo se conocen un puñado de planetas gaseosos fríos que orbitan alrededor de estrellas de la era solar, y todos ellos se han inferido indirectamente a partir de mediciones de velocidad radial. Al obtener imágenes y tomar espectros de planetas, los astrónomos pueden estudiar sus entornos y rastrear la evolución de los sistemas planetarios en comparación con modelos computacionales. El estudio de planetas en sistemas planetarios completamente definidos ayuda a atar cabos sueltos sobre las etapas finales de la evolución planetaria y mejorar nuestra comprensión general de la formación y evolución de los planetas.
Observaciones recientes están en camino de encontrar muchos más de estos planetas gigantes gaseosos fríos. Esto permitirá a los astrónomos estudiar una nueva clase de exoplanetas y compararlos con los gases del sistema solar.
Un método para detectar planetas gaseosos fríos
Sin embargo, estos planetas son difíciles de encontrar utilizando los métodos de detección clásicos. Los planetas alejados de sus estrellas anfitrionas suelen ser muy fríos, a diferencia de los Júpiter calientes que rodean sus estrellas a sólo unos pocos radios estelares de distancia. Es muy poco probable que órbitas más amplias se alineen con la línea de visión para producir una señal de tránsito. Además, sus señales son difíciles de medir con el método de la velocidad radial cuando sólo se puede monitorear una pequeña parte de la órbita.
Los primeros estudios intentaron sondear un planeta gigante que orbita Eps Ind A utilizando mediciones de velocidad radial. Sin embargo, eliminar una pequeña porción de la órbita llevó a conclusiones incorrectas sobre las propiedades del planeta. Después de todo, Eps Ind Ab tarda unos 200 años en orbitar su estrella. Unos pocos años de observaciones son insuficientes para determinar la órbita con mucha precisión.
Por lo tanto, el equipo que rodea a Matthews desarrolló un enfoque diferente. Querían tomar una fotografía del planeta conocido utilizando un método comúnmente conocido como imagen directa. Debido a que las estrellas anfitrionas de exoplanetas son tan brillantes, eclipsan a cualquier cosa cercana. Las cámaras habituales se verán abrumadas por la cegadora luz de las estrellas.
Por esta razón, el equipo implementó la cámara MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) de JWST equipada con un coronógrafo. Esta máscara que bloquea la luz cubre la estrella como un eclipse artificial. Otra ventaja es la proximidad de Eps Ind a la Tierra, que está a sólo 12 años luz. Cuanto más corta sea la distancia a la estrella, mayor será la separación entre los dos objetos en la imagen, lo que brindará más posibilidades de reducir la interferencia de la estrella anfitriona. MIRI fue la mejor opción porque observa en el infrarrojo térmico o medio, donde brillan los objetos fríos.
¿Qué sabemos sobre Eps Ind Ab?
“Descubrimos una señal en nuestros datos que no coincidía con el exoplaneta esperado”, dice Matthews. El punto de luz en la imagen no estaba en la ubicación prevista. “Pero el planeta todavía parece ser un planeta gigante”, añadió Matthews. Sin embargo, antes de poder hacer tal diagnóstico, los astrónomos tuvieron que descartar que la señal procediera de una fuente de fondo no relacionada con Eps Ind A.
“Siempre es difícil estar seguro, pero a partir de los datos parece que la señal proviene de una fuente extragaláctica”, explica Landert Bogard, otro científico del MPIA y coautor del artículo de investigación. De hecho, mientras buscaba en bases de datos astronómicas otras observaciones de Eps Ind, el equipo encontró datos de imágenes de 2019 con la cámara infrarroja VISIR conectada al Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO). Después de volver a analizar las imágenes, el equipo encontró un objeto débil exactamente donde debería estar si la estrella fuente fotografiada con JWST perteneciera a Eps Ind A.
Los científicos también intentaron comprender la atmósfera del exoplaneta basándose en tres imágenes en color disponibles del planeta: dos de JWST/MIRI y una de VLT/VISIR. Eps Ind Ab es más débil de lo esperado en longitudes de onda más cortas. Esto puede indicar una abundancia de elementos pesados, especialmente carbono, que forma moléculas como metano, dióxido de carbono y monóxido de carbono, que se encuentran comúnmente en los planetas gigantes gaseosos. Alternativamente, podría indicar que el planeta tiene una atmósfera nublada. Sin embargo, se necesita más trabajo para llegar a una conclusión definitiva.
Planes y perspectivas
Este trabajo es sólo un primer paso hacia la caracterización de Eps Ind Ab. “Nuestro próximo objetivo es obtener espectros que nos brinden una huella digital detallada del clima y la composición química del planeta”, dice Thomas Henning, director emérito del MPIA, co-PI del instrumento MIRI y coautor del artículo principal.
“A largo plazo, esperamos observar otros sistemas planetarios cercanos para buscar gigantes gaseosos fríos”, afirma Matthews. “Un estudio de este tipo servirá como base para una mejor comprensión de cómo se forman y evolucionan los planetas gaseosos”.
