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Webb escanea una enana marrón cercana y descubre que tiene nubes hechas de arena

¡En sus primeros meses de operación, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) ya está demostrando que la espera valió la pena! Hasta la fecha, ha proporcionado a los astrónomos las imágenes más detalladas y precisas del cosmos, ha realizado observaciones de galaxias y nebulosas icónicas, ha mirado hasta el borde mismo del Universo y ha obtenido espectros de exoplanetas distantes. Estas imágenes resultantes, hechas públicas a través del programa JWST Early Release Science (ERS), han proporcionado una buena muestra representativa de lo que este observatorio de próxima generación puede hacer.

La concepción de un artista de una enana marrón. Un nuevo estudio identifica CK Vulpeculae como el remanente de un colision entre una enana marrón y una enana blanca. Imagen: Por NASA/JPL-Caltech (http://planetquest.jpl.nasa.gov/image/114) [Dominio público], vía Wikimedia Commons

Entre sus muchos objetivos, el JWST proporcionará información valiosa sobre la formación y evolución de los sistemas de exoplanetas a través de imágenes directas. Utilizando datos del ERS, un equipo internacional de astrónomos y astrofísicos realizó un estudio de imágenes directas de una compañera enana marrón (VHS 1256-1257 b) orbitando dentro de un sistema de triple enana marrón a aproximadamente 69 años luz de distancia. Los espectros que obtuvieron de este cuerpo proporcionaron una composición detallada de su atmósfera, que incluyó un hallazgo inesperado: ¡nubes hechas de minerales de silicato (también conocido como arena)!

La investigación fue realizada por el JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems (El equipo ERS 1386, para abreviar), dirigido por la Universidad de California en Santa Cruz (UCSC). El documento que describe sus hallazgos es el segundo de una serie que examina las observaciones directas de exoplanetas realizadas por Webb, las cuales están actualmente bajo revisión. El primer artículo (publicado simultáneamente) examinó los datos de ERS en el exoplaneta HIP 65426 b, un súper Júpiter que Webb observó en las longitudes de onda del infrarrojo cercano y medio.

La colaboración ERS 1386 comprende 120 astrónomos de más de 100 institutos y universidades de todo el mundo y se dedica a obtener imágenes directas de sistemas de exoplanetas en el rango del infrarrojo medio. Esto incluirá la obtención de espectros de atmósferas de exoplanetas para determinar la habitabilidad y el examen de discos de escombros circunestelares para aprender más sobre la formación de planetas. Como declaró el equipo durante el Congreso Europeo de Ciencia Planetaria de 2018, “La humanidad nunca ha observado sistemas exoplanetarios en estas longitudes de onda, y nuestras observaciones serán transformadoras para comprender las químicas y composiciones de estos mundos distantes”.

Desde una perspectiva técnica, el Programa de Liberación Temprana del programa está diseñado para evaluar el rendimiento de los modos de observación del JWST que permiten la obtención de imágenes directas de exoplanetas, compañeros de masa planetaria y los discos circunestelares que los forman. Esto incluye los modos coronagráficos de la Cámara de Infrarrojo Cercano (NIRCam) y el Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) (que bloquea la luz de las estrellas, por lo que los exoplanetas son visibles) y el modo de interferometría de enmascaramiento de apertura del Generador de Imágenes de Infrarrojo Cercano y espectrógrafo sin hendiduras (NIRSpec) (que combina la luz de fuentes dispares para crear imágenes).

El Dr. Aarynn Carter, becario postdoctoral en UCSC y miembro de ERS 1386, fue el autor principal del primer artículo de la colaboración. Como explicó a Universe Today por correo electrónico, las observaciones de Webb de HIP 65426 b demostraron efectivamente las capacidades de imagen directa del observatorio:

“Estas observaciones demostraron que JWST es capaz de obtener mediciones precisas de flujo de exoplanetas en todo el infrarrojo cercano a medio. Estas mediciones nos permiten obtener una restricción precisa sobre la energía emitida total, o luminosidad, de HIP 65426b. En comparación con los modelos de evolución planetaria, esto, a su vez, nos ha dado restricciones muy precisas sobre sus propiedades a granel, como la temperatura, la masa y el radio. Con el trabajo futuro, podemos comenzar a comprender lo que estas observaciones significan para las propiedades atmosféricas de HIP 65426 b”.


Para su último estudio, el equipo consultó datos obtenidos por MIRI y NIRSpec de Webb de VHS 1256 b, una compañera enana marrón 20 veces más masiva que Júpiter y orbita a una distancia de aproximadamente 150 UA. Estas observaciones se realizaron el 5 de julio de 2022, durante más de dos horas y en longitudes de onda que oscilan entre 1 y 20 micrómetros. Los espectros que obtuvieron proporcionaron información detallada sobre la composición atmosférica de VHS 1256 b y en longitudes de onda nunca antes vistas con una enana marrón.

El Dr. Britanny E. Miles, becario postdoctoral presidencial de UC en UC Irvine y miembro de la Colaboración ERS 1386, fue el autor principal del segundo artículo.

“El infrarrojo cercano y el infrarrojo medio muestran características de metano, monóxido de carbono, sodio, potasio y agua. Hay evidencia de dióxido de carbono. Todas estas características se han observado antes en enanas marrones de esta temperatura. Sin embargo, nunca hemos visto monóxido de carbono con tanto detalle a 5 micras”. Dijo Miles.

Parámetros atmosféricos de VHS 1256 b. Arriba a la izquierda: el perfil de presión y temperatura (negro) con regiones convectivas resaltado con líneas negras más gruesas. Las curvas de condensación de las opacidades de las nubes incluidas en el modelo se muestran en color. Arriba a la derecha: el perfil de profundidad óptica de las nubes utilizado en el modelo híbrido de mejor ajuste. Los valores bajos de fsed producen una mayor opacidad a través de una región más grande de la atmósfera en comparación con valores más altos de fsed. Inferior izquierda: La abundancia de diferentes moléculas atmosféricas en función de la presión. La mezcla atmosférica influye en las abundancias principalmente por debajo de log(P)= 0 bares. Abajo a la derecha: mezcla atmosférica, Kzz, en función de la presión. Se produce una mezcla más fuerte a presiones más altas.

“Estos nos dan la oportunidad en futuros estudios de comprender cuánto carbono y oxígeno hay en el objeto general, lo que da una pista de cuán “rico en metales” es en comparación con su estrella anfitriona. La composición de una enana marrón puede potencialmente dar una idea de las formas en que el objeto puede haberse formado”.

Miles y sus colegas también notaron la detección directa de nubes de silicato, lo que hace que esta sea la primera instancia en la que se hizo un fenómeno de este tipo para un compañero de masa planetaria. Este y otros exámenes espectroscópicos recientes de enanas marrones (como un estudio reciente basado en datos de Spitzer) confirman que estos objetos de masa subestelar producen suficiente calor para vaporizar minerales. También proporciona información sobre cómo funcionan las atmósferas planetarias, particularmente para los planetas que están más cerca en tamaño y temperatura de la Tierra.

Las enanas marrones son demasiado grandes para ser planetas, pero tampoco son estrellas. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Estos resultados fueron similares a las observaciones anteriores de HR 8799 c, d y e, tres exoplanetas que orbitan una estrella variable de tipo K a unos 133 años luz de la Tierra. Estos exoplanetas oscilan entre un estimado de 7 y 9 masas solares, probablemente enanas marrones, y tienen espectros similares. Sin embargo, el JWST proporcionó una resolución y una capacidad de imagen mucho mayores que las campañas de observación anteriores, validando aún más el sofisticado observatorio y su capacidad para obtener imágenes y caracterizar exoplanetas directamente. Dijo Carter:

“También determinamos que JWST es hasta un factor de 10 más sensible de lo que anticipamos en estos modos de observación. Esto significa que podremos hacer fácilmente este tipo de observación a través de un mayor número de objetos conocidos. Además, para algunas estrellas, seremos más sensibles de lo que actualmente es posible desde el suelo, lo que significa que también podremos descubrir nuevos planetas. Particularmente, hasta ahora, solo hemos fotografiado directamente objetos más grandes que Júpiter. JWST puede permitirnos detectar Saturno o incluso análogos de Urano / Neptuno”.

El estudio ricamente detallado de los exoplanetas es solo una forma más en que Webb está cumpliendo sus objetivos científicos. Con su óptica avanzada, coronografías y espectrómetros, este observatorio de próxima generación confirmará y caracterizará exoplanetas como nunca antes. Esto permitirá a los astrónomos completar el censo de exoplanetas, detectar planetas rocosos más pequeños que orbitan más de cerca con sus estrellas y restringir aún más la habitabilidad planetaria. Con un poco de suerte, incluso puede descubrir la primera evidencia de vida más allá de nuestro Sistema Solar.

Referencia: The JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems II: A 1 to 20 Micron Spectrum of the Planetary-Mass Companion VHS 1256-1257 b, https://arxiv.org/abs/2209.00620

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