Cuando el telescopio espacial James Webb de la NASA se lance en 2021, Una de sus contribuciones más esperadas a la astronomía será el estudio de exoplanetas:planetas que orbitan estrellas distantes. Entre las preguntas más urgentes en la ciencia de los exoplanetas se encuentra:¿Puede un pequeño, ¿Un exoplaneta rocoso que orbita cerca de una estrella enana roja se aferra a una atmósfera?

En una serie de cuatro artículos en el Diario astrofísico , un equipo de astrónomos propone un nuevo método de utilizar Webb para determinar si un exoplaneta rocoso tiene atmósfera. La técnica, que implica medir la temperatura del planeta cuando pasa detrás de su estrella y luego vuelve a estar a la vista, es significativamente más rápido que los métodos más tradicionales de detección atmosférica como la espectroscopia de transmisión.

“Descubrimos que Webb podría inferir fácilmente la presencia o ausencia de una atmósfera alrededor de una docena de exoplanetas rocosos conocidos con menos de 10 horas de tiempo de observación por planeta, "dijo Jacob Bean de la Universidad de Chicago, coautor de tres de los artículos.

Los astrónomos están particularmente interesados ​​en los exoplanetas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas por varias razones. Estas estrellas que son más pequeños y fríos que el sol, son el tipo de estrella más común en nuestra galaxia. También, porque una enana roja es pequeña, un planeta que pasa frente a él parecerá bloquear una fracción mayor de la luz de la estrella que si la estrella fuera más grande, como nuestro sol. Esto hace que el planeta que orbita una enana roja sea más fácil de detectar a través de esta técnica de "tránsito".

Las enanas rojas también producen mucho menos calor que nuestro sol, para disfrutar de temperaturas habitables, un planeta necesitaría orbitar bastante cerca de una estrella enana roja. De hecho, Para estar en la zona habitable, el área alrededor de la estrella donde podría existir agua líquida en la superficie de un planeta, el planeta tiene que orbitar mucho más cerca de la estrella que Mercurio del sol. Como resultado, transitará la estrella con más frecuencia, facilitando las observaciones repetidas.

Pero un planeta que orbita tan cerca de una enana roja está sujeto a duras condiciones. Las enanas rojas jóvenes son muy activas, lanzando enormes llamaradas y erupciones de plasma. La estrella también emite un fuerte viento de partículas cargadas. Todos estos efectos podrían potencialmente arrastrar la atmósfera de un planeta, dejando atrás una roca desnuda.

"La pérdida atmosférica es la amenaza existencial número uno para la habitabilidad de los planetas, "dijo Bean.

Otra característica clave de los exoplanetas que orbitan cerca de las enanas rojas es fundamental para la nueva técnica:se espera que estén bloqueados por mareas, lo que significa que tienen un lado diurno y un lado nocturno permanentes. Como resultado, vemos diferentes fases del planeta en diferentes puntos de su órbita. Cuando cruza el rostro de la estrella, solo vemos el lado nocturno del planeta. Pero cuando está a punto de cruzar detrás de la estrella (un evento conocido como eclipse secundario), o simplemente está emergiendo de detrás de la estrella, podemos observar el lado del día.

Si un exoplaneta rocoso carece de atmósfera, su lado diurno sería muy caluroso, tal como vemos con la Luna o Mercurio. Sin embargo, si un exoplaneta rocoso tiene atmósfera, Se espera que la presencia de esa atmósfera reduzca la temperatura diurna que mediría Webb. Podría hacer esto de dos formas. Una atmósfera densa podría transportar el calor del lado del día al lado de la noche a través de los vientos. Una atmósfera más delgada aún podría albergar nubes, que reflejan una parte de la luz de las estrellas entrantes, lo que reduce la temperatura del lado diurno del planeta.

"Siempre que agregue una atmósfera, vas a bajar la temperatura del lado diurno. Entonces, si vemos algo más genial que una roca desnuda, inferiríamos que es probable que sea un signo de atmósfera, "explicó Daniel Koll del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), el autor principal de dos de los artículos.

Webb es ideal para realizar estas mediciones porque tiene un espejo mucho más grande que otros telescopios como los telescopios espaciales Hubble o Spitzer de la NASA. lo que le permite recoger más luz, y puede apuntar a las longitudes de onda infrarrojas adecuadas.

Los cálculos del equipo muestran que Webb debería poder detectar la firma de calor de la atmósfera de un planeta en uno o dos eclipses secundarios, solo unas pocas horas de tiempo de observación. A diferencia de, detectar una atmósfera a través de observaciones espectroscópicas normalmente requeriría ocho o más tránsitos para estos mismos planetas.

Espectroscopia de transmisión, que estudia la luz de las estrellas filtrada a través de la atmósfera del planeta, también sufre interferencias debidas a nubes o neblinas, que puede enmascarar las firmas moleculares de la atmósfera. En ese caso, el gráfico espectral, en lugar de mostrar líneas de absorción pronunciadas debido a las moléculas, sería esencialmente plano.

"En espectroscopia de transmisión, si obtienes una línea plana, no te dice nada. La línea plana podría significar que el universo está lleno de planetas muertos que no tienen atmósfera, o que el universo está lleno de planetas que tienen una amplia gama de diversos, atmósferas interesantes, pero todos nos parecen iguales porque están nublados, "dijo Eliza Kempton de la Universidad de Maryland, coautor de tres de los artículos.

"Las atmósferas de exoplanetas sin nubes y neblinas son como unicornios, simplemente no las hemos visto todavía, y puede que no existan en absoluto, " ella añadió.

El equipo enfatizó que una temperatura diurna más fría de lo esperado sería una pista importante, pero no confirmaría absolutamente la existencia de una atmósfera. Cualquier duda restante sobre la presencia de una atmósfera se puede descartar con estudios de seguimiento utilizando otros métodos como la espectroscopia de transmisión.

La verdadera fuerza de la nueva técnica estará en determinar qué fracción de exoplanetas rocosos probablemente tengan atmósfera. Aproximadamente una docena de exoplanetas que son buenos candidatos para este método fueron detectados durante el año pasado. Es probable que se encuentren más para cuando Webb esté operativo.

"El satélite de estudio de exoplanetas en tránsito, o TESS, es encontrar montones de estos planetas, "declaró Kempton.

El método del eclipse secundario tiene una limitación clave:funciona mejor en planetas que son demasiado calientes para ubicarse en la zona habitable. Sin embargo, determinar si estos planetas calientes albergan atmósferas tiene implicaciones importantes para los planetas de zonas habitables.

"Si los planetas calientes pueden retener una atmósfera, los más fríos deberían poder al menos también, "dijo Koll.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, mira más allá a mundos distantes alrededor de otras estrellas, y sondear las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un proyecto internacional liderado por la NASA con sus socios, ESA (Agencia Espacial Europea) y Agencia Espacial Canadiense.