Más allá de lo local: el telescopio espacial James Webb mapeará las atmósferas de exoplanetas

Usando el telescopio Webb, será posible aplicar métodos de mapeo para medir la anisotropía tridimensional de las atmósferas de exoplanetas.

Este artículo de Luis Felipe ColónY Universidad de montreal Presentado originalmente en The Conversation y publicado aquí con permiso.

Los exoplanetas, planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas al Sol, se encuentran a muy grandes distancias de la Tierra. Por ejemplo, nuestro exoplaneta más cercano, Proxima Centauri b, está a 4,2 años luz de distancia, o 265 000 veces la distancia entre la Tierra y el Sol.

A simple vista, los planetas del sistema solar aparecen como puntos brillantes. Sin embargo, con un telescopio, estos puntos sobresalen de las estrellas y revelan estructuras como la Gran Mancha Roja de Júpiter, los anillos de Saturno o los casquetes polares de Marte.

Aunque se esperan tales fenómenos en los exoplanetas, su distancia a la Tierra nos impide determinar directamente sus superficies. Sin embargo, hay formas de aprender más sobre la estructura de su atmósfera y mapearlas.

Soy un estudiante de doctorado en astrofísica en la Universidad de Montreal. Mi trabajo está relacionado con la caracterización de atmósferas de exoplanetas. Más específicamente, mi investigación se centra en el desarrollo de herramientas para mapear las atmósferas de exoplanetas utilizando observaciones del telescopio espacial James Webb.

Se espera que el telescopio, que se lanzó el 25 de diciembre de 2021, revolucione el campo de la ciencia de los exoplanetas.

Detección y caracterización de exoplanetas.

Aparte de algunos casos especiales en los que la luz de un planeta se puede observar directamente, la mayoría de los exoplanetas se detectan mediante métodos indirectos. Un método indirecto consiste en observar el efecto de la existencia del planeta sobre la luz emitida por su estrella.

El método de tránsito ha dado lugar al mayor número de descubrimientos de exoplanetas. Un tránsito ocurre cuando un exoplaneta pasa, en nuestra opinión, frente a su estrella anfitriona. Durante el tránsito, la luz de la estrella disminuye a medida que el planeta oscurece parcialmente su superficie.

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La luz se divide en un espectro de longitudes de onda que corresponden a diferentes colores. Cuando se observan tránsitos en varias longitudes de onda, es posible medir la composición de la atmósfera de un exoplaneta. Por ejemplo, las moléculas de agua absorben fuertemente la luz en longitudes de onda infrarrojas, lo que hace que el planeta parezca más grande, porque su atmósfera bloquea una mayor parte de la luz de su estrella. De forma similar, también es posible medir la temperatura de la atmósfera y detectar la presencia de nubes.

Además, un planeta en tránsito puede pasar detrás de su estrella. Este fenómeno, en el que solo se observa la luz de una estrella, se denomina eclipse secundario. Al observar esto, es posible aislar solo la luz proveniente del planeta y así obtener información adicional sobre su atmósfera.

El método de tránsito es más sensible a la presencia de nubes, mientras que el método de eclipse secundario proporciona más información sobre la temperatura de la atmósfera.

En general, la atmósfera de un exoplaneta se considera un objeto unidimensional cuando se analiza. Es decir, su composición y temperatura difieren solo con la diferencia de altitud y no con su ubicación en la latitud y longitud. Tener en cuenta estas tres dimensiones simultáneamente requiere modelos complejos, así como un alto grado de precisión de observación. Sin embargo, solo pensar en la altura puede resultar en aproximaciones no válidas. En la Tierra, por ejemplo, la temperatura en el ecuador es mucho más alta que en los polos.

Algunos exoplanetas también tienen una fuerte variabilidad espacial en sus atmósferas. Júpiter caliente, similar en tamaño a Júpiter, orbita muy cerca de su estrella anfitriona y, por lo tanto, puede alcanzar temperaturas de varios miles de grados Celsius.

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Además, estos planetas giran alrededor de sí mismos a la misma velocidad que su estrella. Esto significa que en estos planetas, el día y el año tienen la misma duración. De la misma manera que podemos ver solo un lado de la Luna desde la Tierra, solo un lado de Júpiter caliente está constantemente frente a su estrella. Este fenómeno puede provocar una diferencia significativa de temperatura entre el lado diurno, que está iluminado por la estrella, y el lado nocturno, que siempre se mantiene en la oscuridad.

Métodos de mapeo

Aunque es imposible observar directamente la superficie de un exoplaneta, es posible medir la variabilidad espacial de la atmósfera utilizando dos métodos: análisis de curva de fase y mapeo de eclipses secundarios.

La curva de fase es el contraste de la luz de un sistema planetario estelar durante el período de revolución. Dado que el planeta gira alrededor de sí mismo durante su órbita, podemos ver diferentes secciones de su atmósfera respectivamente. Con esta señal, es posible mapear la intensidad de la luz emitida por el planeta en su longitud. En el caso de los Júpiter calientes, cuyo lado diurno es generalmente más caliente, la cantidad máxima de luz proveniente del planeta está cerca del eclipse secundario. De igual forma, la curva mínima está cerca del tránsito, donde se observa el lado nocturno.

En el mapeo de eclipses secundarios, se resuelve el lado diurno de un exoplaneta. A medida que el planeta entra y sale de su estrella desde nuestra vista, partes de él se ocultan, lo que nos permite aislar la luz emitida por una parte específica de su atmósfera. Al medir individualmente la cantidad de luz emitida por cada sección, se puede determinar el lado de la atmósfera del día frente a su longitud y latitud.

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Llega el telescopio espacial James Webb

Hasta la fecha, el análisis de la curva de fase se ha aplicado a muchos planetas utilizando telescopios espaciales, incluidos los telescopios espaciales Hubble, Kepler y TESS. El mapeo de eclipses secundarios se aplicó a un solo exoplaneta, Hot Jupiter HD189733 b, a partir de observaciones con el Telescopio Espacial Spitzer. Sin embargo, estas observaciones generalmente se realizan en una sola longitud de onda y no brindan una imagen completa de los procesos atmosféricos que operan en estos exoplanetas.

Con un espejo de 6,5 metros, en comparación con el espejo de 2,4 metros del Hubble, el telescopio Webb proporcionará observaciones precisas sin precedentes en una amplia gama de longitudes de onda. Cuatro instrumentos, incluido el NIRISS (generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrómetro de hendidura) de Canadá, monitorearán en el infrarrojo y caracterizarán las atmósferas de varios exoplanetas.

Usando el telescopio Webb, será posible aplicar los métodos de mapeo disponibles para nosotros para medir el contraste tridimensional de las atmósferas de los exoplanetas. Estas mediciones nos permitirán profundizar nuestro conocimiento de los procesos atmosféricos.

A medida que la tecnología y las herramientas continúan avanzando, es posible que incluso sea posible trazar un mapa de un exoplaneta similar a la Tierra en el futuro.

Luis Felipe ColónEstudiante de doctorado en astrofísica Universidad de montreal

Este artículo ha sido republicado desde Conversacion Bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.

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