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Webb mide la temperatura de un exoplaneta rocoso

Ilustración de un planeta rocoso y su estrella enana roja sobre un fondo negro vacío. El planeta es grande y está en primer plano en la parte inferior derecha, y la estrella es más pequeña y está en el fondo en la parte superior izquierda. El planeta tiene diversos tonos de gris, con algunos cráteres pequeños. No hay atmósfera aparente. El cuarto izquierdo del planeta (el lado que mira hacia la estrella) está iluminado, mientras que el resto está en la sombra. La estrella tiene un brillo rojo anaranjado.

Esta ilustración muestra cómo podría verse el exoplaneta rocoso caliente TRAPPIST-1 b según este trabajo. TRAPPIST-1 b, el más interno de los siete planetas conocidos en el sistema TRAPPIST-1, se mueve en órbita alrededor de su estrella a una distancia de 0,011 unidades astronómicas (UA), completando un circuito en solo 1,51 días terrestres. TRAPPIST-1 b es un poco más grande que la Tierra, pero tiene más o menos la misma densidad, lo cual indica que debe tener una composición rocosa. La medición de Webb de la luz infrarroja media emitida por TRAPPIST-1 b sugiere que el planeta no tiene ninguna atmósfera sustancial. La estrella, TRAPPIST-1, es una enana roja ultrafría (enana M) con una temperatura de solo 2.566 kelvins y una masa de apenas 0,09 veces la masa del Sol. Esta ilustración se basa en nuevos datos recopilados por el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb, así como en observaciones anteriores de otros telescopios terrestres y espaciales. Webb no ha captado ninguna imagen de este planeta.

NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

Un equipo internacional de investigadores ha utilizado el telescopio espacial James Webb de la NASA para medir la temperatura del exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b. La medición se basa en la emisión térmica del planeta, esto es, la energía térmica emitida en forma de luz infrarroja detectada por el instrumento de infrarrojo medio (MIRI, por sus siglas en inglés) de Webb. El resultado indica que el lado diurno del planeta tiene una temperatura de unos 500 kelvins (alrededor de 230 grados Celsius o 450 grados Fahrenheit) y sugiere que no tiene una atmósfera significativa.

Esta es la primera detección de cualquier forma de luz emitida por un exoplaneta tan pequeño y tan frío como los planetas rocosos de nuestro propio sistema solar. El resultado marca un paso importante para determinar si los planetas que se mueven en órbita alrededor de pequeñas estrellas activas como TRAPPIST-1 pueden mantener atmósferas necesarias para sustentar la vida. También es un buen augurio de la capacidad de Webb de utilizar el instrumento MIRI para caracterizar exoplanetas del tamaño de la Tierra con temperaturas templadas.

“Estas observaciones aprovechan muy bien la capacidad del infrarrojo medio de Webb”, dijo Thomas Greene, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA y autor principal del estudio publicado hoy en la revista científica Nature. “Ningún telescopio anterior ha tenido la sensibilidad para medir una luz del infrarrojo medio tan tenue”.

Infografía titulada “Exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b, Comparación de temperatura del lado diurno, MIRI F1500W” que muestra cinco planetas trazados a lo largo de una escala de temperatura horizontal: la Tierra, TRAPPIST-1 b, Mercurio y dos modelos diferentes de TRAPPIST-1 b.

Esta gráfica compara la temperatura del lado diurno de TRAPPIST-1 b medida con el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb contra modelos informáticos de la que sería la temperatura en diversas condiciones. Los modelos tienen en cuenta las propiedades conocidas del sistema, incluyendo la temperatura de la estrella y la distancia orbital del planeta. La temperatura del lado diurno de Mercurio también se muestra como referencia. El brillo del lado diurno de TRAPPIST-1 b a 15 micras se corresponde con una temperatura de unos 500 kelvins (unos 230 grados Celsius o 450 grados Fahrenheit). Esto es consistente con la temperatura que tendría asumiendo que el planeta está bloqueado por las mareas (con un lado que mira hacia la estrella en todo momento), que tiene una superficie de color oscuro, no tiene atmósfera y no tiene redistribución del calor del lado diurno al lado nocturno. Si la energía térmica de la estrella se distribuyera uniformemente alrededor del planeta (por ejemplo, mediante la circulación de una atmósfera sin dióxido de carbono), la temperatura a 15 micras sería de 400 kelvins (unos 130 grados Celsius o 260 grados Fahrenheit). Si la atmósfera tuviera una cantidad sustancial de dióxido de carbono, emitiría aún menos luz de 15 micras y parecería ser aún más fría. Aunque TRAPPIST-1 b es caliente para los estándares de la Tierra, es más frío que el lado diurno de Mercurio, el cual consiste de roca desnuda y no tiene una atmósfera significativa. Mercurio recibe alrededor de 1,6 veces más energía del Sol que TRAPPIST-1 b de su estrella.

Ilustración: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI); Investigación científica: Thomas Greene (Centro Ames de la NASA), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

Planetas rocosos en órbita alrededor de enanas rojas ultrafrías

A principios de 2017, los astrónomos informaron acerca del descubrimiento de siete planetas rocosos que están en órbita alrededor de una estrella enana roja ultrafría (o enana M) situada a 40 años luz de distancia de la Tierra. Lo que es notable acerca de los planetas es su similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos internos de nuestro propio sistema solar. Aunque todos ellos orbitan mucho más cerca de su estrella de lo que cualquiera de nuestros planetas orbita alrededor del Sol —todos podrían caber cómodamente dentro de la órbita de Mercurio—, reciben de su pequeña estrella cantidades comparables de energía.

TRAPPIST-1 b, el planeta más interno, tiene una distancia orbital de cerca de una centésima parte de la de la Tierra y recibe aproximadamente cuatro veces la cantidad de energía que la Tierra obtiene del Sol. Aunque no se encuentra dentro de la zona habitable del sistema, las observaciones del planeta pueden proporcionar información importante sobre sus planetas hermanos, así como de otros sistemas de enanas M.

“Hay diez veces más de estas estrellas en la Vía Láctea que estrellas como el Sol, y tienen el doble de probabilidades de tener planetas rocosos que estrellas como el Sol”, explicó Greene. “Pero también son muy activas: son muy brillantes cuando son jóvenes y emiten fulguraciones y rayos X que pueden destruir una atmósfera”.

La coautora Elsa Ducrot, de la Comisión Francesa de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) en Francia, quien formó parte del equipo que llevó a cabo estudios anteriores del sistema TRAPPIST-1, agregó: “Es más fácil caracterizar planetas terrestres que se mueven en órbita alrededor de estrellas más pequeñas y frías. Si queremos entender la habitabilidad que hay en torno a las estrellas tipo M, el sistema TRAPPIST-1 es un gran laboratorio. Estos son los mejores objetivos que tenemos para observar las atmósferas de los planetas rocosos”.

Detectar una atmósfera (o no)

Las observaciones anteriores de TRAPPIST-1 b con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer no encontraron evidencia de una atmósfera inflada, pero no pudieron descartar una atmósfera densa.

Una forma de reducir la incertidumbre es medir la temperatura del planeta. “Este planeta está bloqueado por las mareas, con un lado que mira hacia la estrella en todo momento y el otro en oscuridad permanente”, dijo Pierre-Olivier Lagage de CEA, quien es coautor del artículo. “Si posee una atmósfera para circular y redistribuir el calor, el lado diurno será más fresco que si no hubiera atmósfera”.

El equipo utilizó una técnica llamada fotometría de eclipse secundario, en la que MIRI midió el cambio en el brillo del sistema a medida que el planeta se desplazaba detrás de la estrella. Aunque TRAPPIST-1 b no es lo suficientemente caliente como para emitir su propia luz visible, tiene un resplandor infrarrojo. Al restar el brillo propio de la estrella (durante el eclipse secundario) del brillo combinado de la estrella y el planeta, pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta.

Infografía titulada “Exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b, Curva de luz de eclipse secundario, Fotometría de serie temporal de MIRI (F1500W)”. En la parte superior de la infografía hay un diagrama que muestra un planeta moviéndose detrás de su estrella (un eclipse secundario). Debajo del diagrama hay una gráfica que muestra el cambio en el brillo de la luz de 15 micras emitida por el sistema estrella-planeta en el transcurso de 3,5 horas.

Esta curva de luz muestra el cambio en el brillo del sistema TRAPPIST-1 a medida que el planeta más interno, TRAPPIST-1 b, se mueve detrás de la estrella. Este fenómeno se conoce como eclipse secundario. Los astrónomos utilizaron el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb para medir el brillo de la luz del infrarrojo medio. Cuando el planeta está al lado de la estrella, la luz emitida tanto por la estrella como por el lado diurno del planeta llega al telescopio, y el sistema parece más brillante. Cuando el planeta está detrás de la estrella, la luz emitida por el planeta se bloquea y solo llega al telescopio la luz de la estrella, lo que hace que el brillo aparente disminuya. Los astrónomos pueden restar el brillo de la estrella del brillo combinado de la estrella y el planeta para calcular cuánta luz infrarroja proviene del lado diurno del planeta. Esto se utiliza para calcular la temperatura del lado diurno. La gráfica muestra datos combinados de cinco observaciones separadas realizadas con el filtro F1500W de MIRI, el cual solo permite que la luz con longitudes de onda que van desde 13,5 a 16,6 micras pase a través de los detectores. Los cuadrados azules son medidas individuales del brillo. Los círculos rojos muestran mediciones que están “combinadas” o promediadas para que sea más fácil ver el cambio a lo largo del tiempo. La disminución del brillo durante el eclipse secundario es inferior al 0,1%. MIRI pudo detectar cambios tan pequeños como un 0,027% (o una parte en 3.700). Esta es la primera observación de la emisión térmica de TRAPPIST-1 b, o de cualquier planeta tan pequeño como la Tierra y tan frío como los planetas rocosos de nuestro sistema solar. Se están repitiendo las observaciones utilizando un filtro de 12,8 micras para confirmar los resultados y reducir las interpretaciones.

Ilustración: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI); Investigación científica: Thomas Greene (Centro Ames de la NASA), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

Medición de cambios minúsculos en el brillo

La detección de Webb de un eclipse secundario es en sí misma un hito importante. La estrella observada es más de 1.000 veces más brillante que el planeta, y el cambio en el brillo es inferior al 0,1%.

“También había cierto temor de que nos perdiéramos el eclipse. Todos los planetas tiran unos de otros, por lo que las órbitas no son perfectas”, dijo Taylor Bell, el investigador postdoctoral en el Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía que analizó los datos. “Pero fue simplemente increíble: la hora del eclipse que vimos en los datos coincidió con la hora prevista con una diferencia de menos de un par de minutos”.

El equipo analizó los datos de cinco observaciones separadas de eclipses secundarios. “Comparamos los resultados con modelos informáticos que mostraban cuál debería ser la temperatura en diferentes escenarios”, explicó Ducrot. “Los resultados son casi perfectamente consistentes con un cuerpo negro hecho de roca desnuda y sin atmósfera que haga circular el calor. Tampoco vimos ninguna señal de que la luz fuera absorbida por el dióxido de carbono, lo que sería evidente en estas mediciones”.

Esta investigación fue realizada como parte del programa de Observaciones con Tiempo Garantizado de Webb (GTO, por sus siglas en inglés) número 1177, el cual es uno de los ocho programas del primer año de investigaciones científicas de Webb diseñados para ayudar a caracterizar completamente el sistema TRAPPIST-1. Actualmente están en curso observaciones adicionales de eclipses secundarios de TRAPPIST-1 b y, ahora que sabe lo buenos que pueden ser los datos, el equipo espera captar más adelante una curva de fase completa que muestre el cambio en el brillo a lo largo de toda la órbita. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del lado diurno al lado nocturno y confirmar si el planeta tiene atmósfera o no.

“Había un objetivo que soñaba con tener”, dijo Lagage, quien trabajó en el desarrollo del instrumento MIRI durante más de dos décadas. “Y era este. Es la primera vez que podemos detectar la emisión de un planeta rocoso y templado. Este es un paso realmente importante en la historia del descubrimiento de exoplanetas”.

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. Webb resolverá los misterios de nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios: la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA). MIRI es una contribución de la NASA y la ESA. Este instrumento fue diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados a nivel nacional (el Consorcio Europeo MIRI) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA, en asociación con la Universidad de Arizona.

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