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El telescopio espacial Webb se prepara para la observación de exoplanetas

A medida que el telescopio espacial James Webb de la NASA dirige su mirada a una selección de los más de 5000 mundos nuevos y extraños que se ha confirmado que existen en nuestra galaxia, los científicos comenzarán a trazar una imagen más completa de sus “vidas”, desde el nacimiento hasta la muerte.

Ilustración de una súper Tierra, a la izquierda, y un mini Neptuno: dos de los tipos de planetas más comunes en la galaxia que nos resultan extraños porque no se encuentran en nuestro sistema solar.  Crédito: NASA/JPL-Caltech

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Hasta ahora, los científicos han descubierto que los exoplanetas, planetas más allá de nuestro sistema solar, vienen en una amplia variedad de tamaños y tipos. Webb, con su capacidad para revelar detalles nunca antes vistos del universo usando luz infrarroja, probablemente resolverá debates de décadas sobre cómo se forman y mueren los planetas.

Desde un millón de millas de distancia, el observatorio medirá la composición de las atmósferas de los exoplanetas y sondeará su estructura en tres dimensiones. Y podría comenzar a darnos una mejor imagen de planetas como el nuestro: mundos pequeños, rocosos, potencialmente habitables, y lo que se necesita para hacerlos.

“Estamos al borde de una explosión de nuestro conocimiento de las atmósferas de los exoplanetas”, dijo Johanna Teske, científica del personal de la Institución Carnegie de Washington que codirige un equipo de observación de Webb con Natasha Batalha en el Centro de Investigación Ames de la NASA en California.

“Sabremos algo más que solo su masa o tamaño, y solo que existen”, dijo Teske. “Estamos empezando a ser capaces de mover la lupa”.

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Mirando hacia viveros planetarios, planetas juveniles

Una gran pregunta para los astrónomos: ¿Cómo se forman los planetas? Webb utilizará uno de sus instrumentos más sensibles, el instrumento de infrarrojo medio (MIRI), para examinar los discos de gas y polvo que se arremolinan alrededor de las estrellas jóvenes.

Los científicos quieren entender por qué estos discos parecen tener anillos y espacios, dice Charles Beichman, director ejecutivo del Instituto de Ciencias de Exoplanetas de la NASA en Caltech y un actor clave en varios programas de observación de Webb. “¿Están los planetas en proceso de formación abriendo estos huecos?” él pide.

Beichman y otros investigadores también buscarán restos polvorientos de formación de planetas en sistemas distantes para saber si se parecen a nuestro propio cinturón de Kuiper, a los enjambres de posibles cometas en nuestro sistema solar exterior o al cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.

Varios programas se centrarán en planetas jóvenes de alta temperatura, aún en proceso de enfriamiento y contracción después de la formación.

Un espectro de transmisión de un exoplaneta gigante y caliente, WASP-96 b, que revela la presencia de gases en su atmósfera, incluido el vapor de agua.  El espectro, de la luz de las estrellas filtrada a través de la atmósfera del planeta, se creó utilizando el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija (NIRISS) del telescopio Webb, y fue una de las primeras imágenes científicas de Webb que se publicaron.

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Usando el instrumento MIRI y el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (NIRSpec), el grupo de investigación recopilará lecturas espectroscópicas, esparciendo la luz de los planetas en un espectro, produciendo una especie de huella dactilar de las moléculas en las atmósferas de estos planetas. Eso debería revelar características como la química y la presencia de nubes, y proporcionar pistas esenciales sobre cómo surgieron estos planetas gigantes.

Representación artística del telescopio espacial James Webb desplegado en el espacio.  Crédito: NASA

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Los años intermedios: planetas grandes y pequeños

Los planetas en una etapa madura de desarrollo podrían decirnos si las características de los planetas en nuestro propio sistema solar, también en sus años intermedios, son comunes o raras.

Un equipo de observación de Webb planea sondear las profundidades de un “Júpiter caliente”, HD 189733 b, que ha sido observado por otros telescopios espaciales. Un poco más grande que nuestro propio Júpiter, este planeta orbita su estrella con tanta fuerza que un “año” toma solo 2 días.

El equipo, que incluye a Tiffany Kataria, científica de exoplanetas del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California, llevará estas mediciones anteriores al siguiente nivel utilizando el instrumento MIRI. Los investigadores realizarán mediciones espectroscópicas y “mapas de eclipses”, capturando perfiles atmosféricos en las tres dimensiones a medida que el planeta pasa frente a su estrella.

Los planetas maduros incluyen mundos más pequeños, como planetas rocosos en el rango de tamaño de la Tierra, y planetas que son un poco más grandes, pero aún más pequeños que Neptuno.

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“Estamos interesados ​​en comprender la diversidad y las composiciones atmosféricas de los planetas entre el tamaño de la Tierra y Neptuno”, dijo Teske. “’Super-Tierras’ y ‘mini-Neptunos’ son los tipos más comunes de planetas en nuestra galaxia. Pero solo tenemos algunos ejemplos de mediciones atmosféricas de este tipo de planetas”.

Con enfoque siempre puesto en la cuestión persistente de la habitabilidad, particularmente en lo que respecta a las súper-Tierras. “Estos planetas que son un poco más grandes que la Tierra, ¿podrían albergar condiciones habitables?” pregunta Teske.

Sondeos previos de telescopios espaciales han revelado planetas rocosos del tamaño de la Tierra que orbitan estrellas enanas rojas pequeñas y comparativamente frías.

Webb buscará atmósferas en un grupo planetario famoso llamado TRAPPIST-1: siete planetas del tamaño de la Tierra en órbitas cerradas alrededor de una estrella de menos del 10 por ciento del tamaño del Sol. Un programa científico se centrará en TRAPPIST-1e, que orbita en medio de la zona habitable de TRAPPIST-1. Usando NIRSpec, un equipo dirigido por Nikole Lewis en la Universidad de Cornell intentará obtener lecturas espectroscópicas de la atmósfera del planeta, si es que realmente tiene una.

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Después de la desaparición, ¿una segunda vida para algunos sistemas planetarios?

Entre los reinos menos explorados de la existencia de exoplanetas se encuentra la etapa final. Sin embargo, un descubrimiento sorpresa reciente reveló un planeta en órbita alrededor de una enana blanca, la cáscara arrugada de una estrella pasada.

Un equipo de observación dirigido por el investigador de Cornell Ryan MacDonald utilizará NIRSpec para buscar la firma de una atmósfera alrededor de este planeta del tamaño de Júpiter, una prueba para una pregunta aún más fascinante.

“He estado trabajando durante muchos años en la perspectiva de planetas habitables alrededor de enanas blancas”, dijo. Eso incluiría buscar “biofirmas”, signos de biología activa, en planetas en sistemas que ahora se consideran muertos.

Las observaciones del telescopio Webb prometen una expansión exponencial del conocimiento: biografías enteras de exoplanetas, desde el nacimiento hasta la muerte y la vida nuevamente.

“El objetivo es comenzar a dar pasos en la dirección de comprender estos planetas, no solo planeta por planeta, sino como una población completa”, dijo Teske. “Las capacidades sin precedentes de JWST ayudarán a que esto sea posible y marcarán el comienzo de una nueva era en la ciencia de los exoplanetas”.

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