El telescopio espacial James Webb revela la atmósfera de un planeta extraterrestre como nunca antes

Ilustración (impresión artística) de WASP-39 b y su estrella Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
Ilustración (impresión artística) de WASP-39 b y su estrella Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

El telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA ha conseguido otra primicia: un retrato molecular y químico de los cielos de un mundo lejano. Mientras que el Webb y otros telescopios espaciales, incluido el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA, han revelado anteriormente ingredientes aislados de la atmósfera de este caluroso planeta, las nuevas lecturas proporcionan un menú completo de átomos, moléculas e incluso signos de química activa y nubes. Los últimos datos también dan una pista de cómo podrían verse estas nubes de cerca: fragmentadas en lugar de como un manto único y uniforme sobre el planeta.

Los instrumentos susceptibles del telescopio se han enfocado en la atmósfera de WASP-39 b, un "Saturno caliente" (un planeta más o menos masivo que Saturno pero con una órbita más estrecha que la de Mercurio) que orbita alrededor de una estrella a unos 700 años luz de distancia. Este exoplaneta del tamaño de Saturno fue uno de los primeros examinados por el telescopio espacial James Webb de la NASA, la ESA y la CSA cuando comenzó sus operaciones científicas regulares. Los resultados han entusiasmado a la comunidad científica de los exoplanetas. Los instrumentos exquisitamente sensibles de Webb han proporcionado un perfil de los componentes atmosféricos de WASP-39 b y han identificado una plétora de contenidos, como agua, dióxido de azufre, monóxido de carbono, sodio y potasio.

Los resultados son un buen augurio de la capacidad de los instrumentos de Webb para llevar a cabo la amplia gama de investigaciones de exoplanetas -planetas alrededor de otras estrellas- que espera la comunidad científica. Esto incluye la exploración de las atmósferas de planetas rocosos más pequeños, como los del sistema TRAPPIST-1.

"Hemos observado el exoplaneta con varios instrumentos que, en conjunto, cubren una amplia franja del espectro infrarrojo y una panoplia de huellas químicas inaccesibles hasta el JWST", explica Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California en Santa Cruz, que ha contribuido y ayudado a coordinar la nueva investigación. "Datos como estos cambian las reglas del juego".

El conjunto de descubrimientos se detalla en un conjunto de cinco nuevos artículos científicos, tres de los cuales están en prensa y dos en revisión. Entre las revelaciones sin precedentes se encuentra la primera detección en la atmósfera de un exoplaneta de dióxido de azufre, una molécula producida por reacciones químicas desencadenadas por la luz de alta energía de la estrella madre del planeta. En la Tierra, la capa protectora de ozono de la atmósfera superior se crea de forma similar.

La composición atmosférica del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b ha sido revelada por el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
La composición atmosférica del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b ha sido revelada por el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA. Crédito:
NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

"Es la primera vez que vemos pruebas concretas de fotoquímica -reacciones químicas iniciadas por la luz estelar energética- en exoplanetas", afirma Shang-Min Tsai, investigador de la Universidad de Oxford (Reino Unido) y autor principal del artículo que explica el origen del dióxido de azufre en la atmósfera de WASP-39 b. "Veo esto como una perspectiva realmente prometedora para avanzar en nuestra comprensión de las atmósferas de los exoplanetas con [esta misión]".

Esto condujo a otra primicia: los científicos aplicaron modelos informáticos de fotoquímica a datos que requieren dicha física para ser explicados completamente. Las mejoras resultantes en la modelización ayudarán a crear los conocimientos tecnológicos necesarios para interpretar posibles signos de habitabilidad en el futuro.

"Los planetas se esculpen y transforman al orbitar dentro del baño de radiación de la estrella anfitriona", dijo Batalha. "En la Tierra, esas transformaciones permiten que la vida prospere".

La proximidad del planeta a su estrella anfitriona -ocho veces más cerca que Mercurio de nuestro Sol- también lo convierte en un laboratorio para estudiar los efectos de la radiación de las estrellas anfitrionas en los exoplanetas. Un mejor conocimiento de la conexión estrella-planeta debería aportar una comprensión más profunda de cómo estos procesos afectan a la diversidad de planetas observados en la galaxia.

Otros componentes atmosféricos detectados por el telescopio Webb son el sodio (Na), el potasio (K) y el vapor de agua (H2O), lo que confirma las observaciones anteriores realizadas con telescopios espaciales y terrestres, así como el hallazgo de otras huellas de agua, en estas longitudes de onda más largas, que no se habían visto antes.

Webb también observó el dióxido de carbono (CO2) con mayor resolución, proporcionando el doble de datos que los reportados en sus observaciones anteriores. Por otra parte, se detectó monóxido de carbono (CO), pero los datos del Webb no mostraron señales evidentes de metano (CH4) ni de sulfuro de hidrógeno (H2S). Si están presentes, estas moléculas se encuentran en niveles muy bajos.

Para captar este amplio espectro de la atmósfera de WASP-39 b, un equipo internacional de cientos de personas analizó de forma independiente los datos de cuatro de los modos de instrumentos finamente calibrados del telescopio Webb.

"Habíamos previsto lo que nos mostraría [el telescopio], pero era más preciso, más diverso y más bello de lo que creía", afirma Hannah Wakeford, astrofísica de la Universidad de Bristol (Reino Unido) que investiga las atmósferas de los exoplanetas.

Disponer de una lista tan completa de ingredientes químicos en la atmósfera de un exoplaneta también permite a los científicos conocer la abundancia de los distintos elementos en relación con los demás, como las proporciones de carbono-oxígeno o potasio-oxígeno. Esto, a su vez, permite comprender cómo se formó este planeta -y quizás otros- a partir del disco de gas y polvo que rodea a la estrella madre en sus primeros años.

El inventario químico de WASP-39 b sugiere una historia de aplastamientos y fusiones de cuerpos más pequeños, llamados planetesimales, para crear un eventual planeta gigante.

"La abundancia de azufre [en relación con] el hidrógeno indica que el planeta presumiblemente experimentó una acreción significativa de planetesimales que pueden aportar [estos ingredientes] a la atmósfera", dijo Kazumasa Ohno, un investigador de exoplanetas de la UC Santa Cruz que trabajó en los datos de Webb. "Los datos también indican que el oxígeno es mucho más abundante que el carbono en la atmósfera. Esto indica potencialmente que WASP-39 b se formó originalmente lejos de la estrella central".

Al revelar con precisión los detalles de la atmósfera de un exoplaneta, los instrumentos del telescopio Webb superaron con creces las expectativas de los científicos, y prometen una nueva fase de exploración de la amplia variedad de exoplanetas de la galaxia.

"Vamos a poder ver el panorama general de las atmósferas de los exoplanetas", dijo Laura Flagg, investigadora de la Universidad de Cornell y miembro del equipo internacional. "Es increíblemente emocionante saber que todo se va a reescribir. Esa es una de las mejores partes de ser científico".

Fuentes, créditos y referencias:

Lili Alderson et al. Early Release Science of the Exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
Z. Rustamkulov et al. Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
Eva-Maria Ahrer et al. Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
Adina D. Feinstein et al. Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
Shang-Min Tsai et al. Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490

Fuente: ESA

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