El Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA acaba de obtener otra primicia: un retrato molecular y químico de los cielos de un mundo distante. Mientras que Webb y otros telescopios espaciales, incluido el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA, han revelado previamente ingredientes aislados de la atmósfera de este planeta calentado, 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 estas nubes podrían verse de cerca: rotas en lugar de como una manta única y uniforme sobre el planeta.
El conjunto de instrumentos altamente sensibles del telescopio fue entrenado en la atmósfera de WASP-39 b, un “Saturno caliente” (un planeta tan masivo como Saturno pero en una órbita más estrecha que Mercurio) que orbita una estrella a unos 700 años luz de distancia. Este exoplaneta del tamaño de Saturno fue uno de losprimeros examinadospor el Telescopio Espacial James Webb de la NASA / ESA / CSA cuando comenzó las operaciones científicas regulares. Los resultados han entusiasmado a la comunidad científica de exoplanetas. Los instrumentos exquisitamente sensibles de Webb han proporcionado un perfil de los componentes atmosféricos de WASP-39 b e identificado una gran cantidad de contenidos, incluyendo agua, dióxido de azufre, monóxido de carbono, sodio y potasio.
Los hallazgos son un buen augurio para la capacidad de los instrumentos de Webb para llevar a cabo la amplia gama de investigaciones de exoplanetas, planetas alrededor de otras estrellas, esperadas por la comunidad científica. Eso incluye sondear las atmósferas de planetas rocosos más pequeños como los del sistema TRAPPIST-1.
“Observamos el exoplaneta con varios instrumentos que juntos cubren una amplia franja del espectro infrarrojo y una panoplia de huellas químicas inaccesibles hasta el JWST”, dijo Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California, Santa Cruz, quien contribuyó y ayudó a coordinar la nueva investigación. “Datos como estos son un cambio de juego”.
El conjunto de descubrimientos se detalla en un conjunto de cinco nuevos artículos científicos, tres de los cuales están en prensa y dos de los cuales están bajo revisión. Entre las revelaciones sin precedentes se encuentra la primera detección en una atmósfera de exoplaneta de dióxido de azufre, una molécula producida a partir de reacciones químicas desencadenadas por la luz de alta energía de la estrella madre del planeta. En la Tierra, la capa protectora de ozono en la atmósfera superior se crea de manera similar.
“Esta es la primera vez que hemos visto evidencia concreta de fotoquímica, reacciones químicas iniciadas por la luz estelar energética, en exoplanetas”, dijo Shang-Min Tsai, investigador de la Universidad de Oxford en el 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 exoplanetas con [esta misión]”.
Esto llevó a otra primicia: los científicos aplicaron modelos informáticos de fotoquímica a datos que requieren que dicha física se explique completamente. Las mejoras resultantes en la modelización ayudarán a construir los conocimientos tecnológicos necesarios para interpretar los posibles signos de habitabilidad en el futuro.
“Los planetas son esculpidos y transformados orbitando 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 traer una comprensión más profunda de cómo estos procesos afectan la diversidad de planetas observados en la galaxia.
Otros componentes atmosféricos detectados por el telescopio Webb incluyen sodio (Na), potasio (K) y vapor de agua (H2O), lo que confirma observaciones previas de telescopios espaciales y terrestres, así como la búsqueda de huellas digitales adicionales de agua, en estas longitudes de onda más largas, que no se han visto antes.
Webb también vio dióxido de carbono (CO2) a mayor resolución, proporcionando el doble de datos que los reportados en sus observaciones anteriores. Mientras tanto, se detectó monóxido de carbono (CO), pero las firmas obvias de metano (CH4) y sulfuro de hidrógeno (H2S) estaban ausentes de los datos de Webb. Si están presentes, estas moléculas se producen en niveles muy bajos.
Espectro de la atmósfera de Wasp-39b. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
Para capturar este amplio espectro de la atmósfera de WASP-39 b, un equipo internacional de cientos analizó de forma independiente los datos de cuatro de los modos de instrumentos finamente calibrados del telescopio Webb.
“Habíamos predicho lo que [el telescopio] nos mostraría, pero era más preciso, más diverso y más hermoso de lo que creo que realmente creía”, dijo Hannah Wakeford, astrofísica de la Universidad de Bristol en el Reino Unido que investiga atmósferas de exoplanetas.
Tener una lista tan completa de ingredientes químicos en una atmósfera de exoplaneta también les da a los científicos una idea de la abundancia de diferentes elementos en relación entre sí, como las proporciones de carbono a oxígeno o potasio a oxígeno. Eso a su vez proporciona una idea de cómo este planeta, y quizás otros, se formaron a partir del disco de gas y polvo que rodeaba a la estrella madre en sus años más jóvenes.
El inventario químico de WASP-39 b sugiere una historia de choques y fusiones de cuerpos más pequeños llamados planetesimales para crear un eventual goliat de un planeta.
“La abundancia de azufre [en relación con] el hidrógeno indicó que el planeta presumiblemente experimentó una acumulación significativa de planetesimales que pueden entregar [estos ingredientes] a la atmósfera”, dijo Kazumasa Ohno, investigador de exoplanetas de UC Santa Cruz que trabajó en 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 una atmósfera de exoplaneta, los instrumentos del telescopio Webb funcionaron mucho más allá de las expectativas de los científicos, y prometen una nueva fase de exploración de la amplia variedad de exoplanetas en la galaxia.
“Vamos a poder ver el panorama general de las atmósferas de exoplanetas”, dijo Laura Flagg, investigadora de la Universidad de Cornell y miembro del equipo internacional. “Es increíblemente emocionante saber que todo va a ser reescrito. Esa es una de las mejores partes de ser un científico”.
Más sobre el telescopio espacial James Webb
Webb es el telescopio más grande y poderoso jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. Trabajando con socios, la ESA fue responsable del desarrollo y calificación de las adaptaciones de Ariane 5 para la misión Webb y de la adquisición del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo NIRSpec y el 50% del instrumento de infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados a nivel nacional (The MIRI European Consortium) en asociación con JPL y la Universidad de Arizona.
Webb es una asociación internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).
Imagen de la portada: Ilustración de WASP-39 b. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)