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El MIT estudia el lado oscuro de un exoplaneta gaseoso por primera vez

Los astrónomos han mapeado las atmósferas de los exoplanetas durante un tiempo, pero una buena mirada a sus lados nocturnos ha demostrado ser difícil de alcanzar, hasta hoy. Un estudio dirigido por el MIT ha proporcionado la primera mirada detallada al lado oscuro de un exoplaneta “Júpiter caliente” al mapear las temperaturas basadas en la altitud y los niveles de presencia de agua de WASP-121b. Como el planeta distante (a 850 años luz de distancia) está bloqueado por las mareas a su estrella anfitriona, las diferencias con el lado positivo no podrían ser más marcadas. El lado oscuro del planeta contribuye a un ciclo del agua extremadamente violento. Donde el lado diurno desgarra el agua con temperaturas superiores a 2.727°C, la noche es lo suficientemente fresca (‘solo’ 1.526°C como máximo) para recombinarlas en agua. El resultado arroja átomos de agua alrededor del planeta a más de 17.703 Km/h. Ese lado oscuro también es lo suficientemente frío como para tener nubes de hierro y corindón (un mineral en rubíes y zafiros), y es posible que veas lluvia hecha de gemas líquidas y titanio a medida que el vapor del lado diurno se enfría. Los investigadores recopilaron los datos utilizando espectroscopia del Telescopio Espacial Hubble para dos órbitas en 2018 y 2019. Muchos científicos han utilizado este método para estudiar los lados brillantes de los exoplanetas, pero las observaciones del lado oscuro requirieron detectar cambios minúsculos en la línea espectral que indica vapor de agua. Esa línea ayudó a los científicos a crear mapas de temperatura, y el equipo envió esos mapas a través de modelos para ayudar a identificar posibles productos químicos. Esto representa el primer estudio detallado de la atmósfera global de un exoplaneta, según el MIT. Esa mirada integral debería ayudar a explicar dónde se pueden formar Júpiter calientes como WASP-121b. Y mientras que un mundo joviano como este es claramente demasiado peligroso para los humanos, los exámenes más exhaustivos de las atmósferas de exoplanetas podrían ayudar cuando se buscan planetas verdaderamente habitables.


El exoplaneta WASP-121b gaseoso similar a Júpiter tiene un ciclo exótico de agua y nubes de metal exótico. Crédito: MPIA

El exótico ciclo del agua en WASP-121 b

En la Tierra, el agua cambia constantemente su estado físico. El hielo sólido se derrite en agua líquida. El agua se evapora en un gas y luego se condensa en gotas para formar nubes. El ciclo se cierra cuando esas gotas crecen hasta convertirse en gotas de lluvia que eventualmente caen para llenar ríos y océanos. Sin embargo, los nuevos datos del Hubble revelan un ciclo del agua en WASP-121 b que se ve completamente diferente.

Esta imagen muestra los espectros de emisión térmica de los hemisferios del lado diurno (a) y del lado nocturno (b) del exoplaneta caliente de Júpiter WASP-121 b. Los puntos negros indican la fuerza de la emisión térmica del planeta en varias longitudes de onda en el rango espectral del infrarrojo cercano. Las barras verticales representan las incertidumbres de estas medidas. Al modelar los datos para varias propiedades físicas, los astrónomos obtuvieron la curva naranja, que visualiza el espectro atmosférico verdadero subyacente más probable que sea consistente con la medición. La emisión y absorción de radiación infrarroja por parte de las moléculas de agua permitió a los astrónomos restringir la distribución vertical de la temperatura en la atmósfera superior de WASP-121 b. Crédito imagen: T. Mikal-Evans et al./MPIA

En el lado del planeta frente a la estrella central, la atmósfera superior se calienta hasta unos 3000 grados centígrados. A tales temperaturas, el agua comienza a brillar, y muchas de las moléculas incluso se descomponen en sus componentes atómicos. Los datos del Hubble también revelan que la temperatura desciende en aproximadamente 1500 grados centígrados en el hemisferio nocturno. Esta diferencia de temperatura extrema entre los dos hemisferios da lugar a fuertes vientos que barren todo el planeta de oeste a este, arrastrando las moléculas de agua interrumpidas. Eventualmente, llegan al lado nocturno. Las temperaturas más bajas permiten que los átomos de hidrógeno y oxígeno se recombinen, formando vapor de agua nuevamente antes de ser soplado de nuevo al lado del día y el ciclo se repite. Las temperaturas nunca bajan lo suficiente como para que se formen nubes de agua a lo largo del ciclo, y mucho menos lluvia.

Nubes de metal y lluvia hecha de gemas líquidas

En lugar de agua, las nubes en WASP-121 b consisten principalmente en metales como hierro, magnesio, cromo y vanadio. Observaciones anteriores han revelado las señales espectrales de estos metales como gases en el caluroso día. Los nuevos datos del Hubble indican que las temperaturas caen lo suficientemente bajas como para que los metales se condensen en nubes en el lado nocturno. Los mismos vientos que fluyen hacia el este que transportan el vapor de agua a través del lado nocturno también soplarían estas nubes de metal de regreso al lado del día, donde nuevamente se evaporan.

Curiosamente, el aluminio y el titanio no estaban entre los gases detectados en la atmósfera de WASP-121 b. Una explicación probable para esto es que estos metales se han condensado y llovido en capas más profundas de la atmósfera, no accesibles a las observaciones. Esta lluvia sería diferente a cualquier otra conocida en el Sistema Solar. Por ejemplo, el aluminio se condensa con oxígeno para formar el compuesto corindón. Con impurezas de cromo, hierro, titanio o vanadio, lo conocemos como rubí o zafiro. Por lo tanto, las gemas líquidas podrían estar lloviendo en el hemisferio nocturno de WASP-121 b.

Representación artística del exoplaneta WASP-121 b. © Imagen: Patricia Klein y MPIA

Perspectivas con el Telescopio Espacial James Webb

Es emocionante estudiar planetas como WASP-121 b que son muy diferentes a los de nuestro Sistema Solar, porque nos permiten ver cómo se comportan las atmósferas en condiciones extremas”, dice la coautora Joanna Barstow de la Universidad Abierta en Milton Keynes, Reino Unido. Mikal-Evans agrega: “Para comprender mejor este planeta, lo vamos a observar con el Telescopio Espacial James Webb dentro del primer año de su operación“. Al cubrir longitudes de onda más allá del alcance del Hubble, estas observaciones permitirán al equipo determinar la cantidad de carbono en la atmósfera, lo que podría contener pistas sobre cómo y dónde se formó WASP-121 b en el disco protoplanetario. Las mediciones incluso serán lo suficientemente precisas como para aprender sobre las velocidades del viento a diferentes altitudes dentro de la atmósfera.

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