En 2021, Observatorio de próxima generación de la NASA, el telescopio espacial James Webb (JWST), llevará al espacio. Una vez operativo, esta misión insignia continuará donde otros telescopios espaciales, como el Hubble, Kepler y Spitzer se quedaron. Esto significa que además de investigar algunos de los mayores misterios cósmicos, también buscará exoplanetas potencialmente habitables e intentará caracterizar sus atmósferas.

Esto es parte de lo que distingue al JWST de sus predecesores. Entre su alta sensibilidad y sus capacidades de imágenes infrarrojas, podrá recopilar datos sobre atmósferas de exoplanetas como nunca antes. Sin embargo, como demostró recientemente un estudio apoyado por la NASA, Los planetas que tienen atmósferas densas también pueden tener una extensa cobertura de nubes, lo que podría complicar los intentos de recopilar algunos de los datos más importantes de todos.

Durante años, Los astrónomos han utilizado fotometría de tránsito (también conocido como método de tránsito) para detectar exoplanetas al monitorear estrellas distantes en busca de caídas de brillo. Este método también ha demostrado ser útil para determinar la composición atmosférica de algunos planetas. Mientras estos cuerpos pasan frente a sus estrellas, la luz atraviesa la atmósfera del planeta, cuyos espectros se analizan luego para ver qué elementos químicos están presentes.

Hasta aquí, este método ha sido útil para observar planetas masivos (gigantes gaseosos y "super-Júpiter") que orbitan sus soles a grandes distancias. Sin embargo, observando más pequeño, planetas rocosos (es decir, Planetas "similares a la Tierra") que orbitan más cerca de sus soles, que los pondría dentro de la zona habitable de la estrella, ha estado más allá de las capacidades de los telescopios espaciales.

Por esta razón, la comunidad astronómica ha estado esperando telescopios de próxima generación como el JWST. Al examinar los espectros de luz que atraviesan la atmósfera de un planeta rocoso (un método conocido como espectroscopia de transmisión), los científicos podrán buscar los indicadores reveladores del gas oxígeno, dióxido de carbono, metano, y otros signos asociados con la vida (también conocidos como "biofirmas").

Otro elemento crítico para la vida tal como la conocemos es el agua, por lo que las firmas de vapor de agua en la atmósfera de un planeta son un objetivo principal para estudios futuros. Pero en un nuevo estudio dirigido por Thaddeus Komacek, becario postdoctoral del Departamento de Ciencias Geofísicas de la Universidad de Chicago, Es posible que cualquier planeta con abundante agua superficial también tenga abundantes nubes (partículas de hielo en condensación) en su atmósfera.

Por el bien de este estudio, Komacek y sus colegas examinaron si estas nubes interferirían con los intentos de detectar vapor de agua en las atmósferas de exoplanetas terrestres. Debido a la cantidad de exoplanetas rocosos que se han descubierto dentro de las zonas habitables de estrellas de tipo M (enanas rojas) en los últimos años, como Proxima b, las enanas rojas vecinas serán un foco importante de estudios futuros.

Como explicó Komack a Universe Today por correo electrónico, Los planetas bloqueados por las mareas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas son adecuados para estudios que involucran espectroscopía de transmisión, y por varias razones:

"Los planetas en tránsito que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas son objetivos más favorables que los que orbitan estrellas similares al sol porque la relación entre el tamaño del planeta y el tamaño de la estrella es mayor. El tamaño de la señal en las escalas de transmisión como el cuadrado de la relación del tamaño del planeta al tamaño de la estrella, por lo que hay un aumento significativo en la señal que va a estrellas más pequeñas que la Tierra.

"Otra razón por la que los planetas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas son más favorables para observar es porque la 'zona habitable, "o donde esperamos que haya agua líquida en la superficie del planeta, está mucho más cerca de la estrella ... Debido a estas órbitas más cercanas, planetas rocosos habitables que orbitan estrellas enanas rojas transitarán su estrella con mucha más frecuencia, lo que permite a los observadores realizar muchas observaciones repetidas ".

Teniendo esto en cuenta, Komacek y su equipo emplearon dos modelos en conjunto para generar espectros de transmisión sintéticos de planetas bloqueados por mareas alrededor de estrellas de tipo M. El primero fue ExoCAM, desarrollado por el Dr. Eric Wolf del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado (LASP), un modelo comunitario del sistema terrestre (CESM) utilizado para simular el clima de la Tierra, que ha sido adaptado para estudiar atmósferas de exoplanetas.

Usando el modelo ExoCAM, simularon el clima de planetas rocosos que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas. Segundo, Emplearon el Generador de Espectro Planetario desarrollado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA para simular el espectro de transmisión que el JWST detectaría en su planeta simulado. Como lo explicó Komacek:"Estas simulaciones de ExoCAM calcularon las distribuciones tridimensionales de temperatura, proporción de mezcla de vapor de agua, y partículas de nubes de agua líquida y helada. Descubrimos que los planetas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas están mucho más nublados que la Tierra. Esto se debe a que todo su lado del día tiene un clima similar al de los trópicos de la Tierra, y así el vapor de agua se eleva fácilmente a presiones bajas, donde puede condensarse y formar nubes que cubren gran parte del lado diurno del planeta ... PSG dio resultados para el tamaño aparente del planeta en transmisión en función de la longitud de onda, junto con la incertidumbre. Al observar cómo cambia el tamaño de la señal con la longitud de onda, pudimos determinar el tamaño de las características del vapor de agua y compararlas con el nivel de incertidumbre ".

Entre estos dos modelos, el equipo pudo simular planetas con y sin nubosidad, y lo que el JWST podría detectar como resultado. En el caso del primero, encontraron que el vapor de agua en la atmósfera del exoplaneta sería casi con certeza detectable. También encontraron que esto podría hacerse para exoplanetas del tamaño de la Tierra en solo 10 tránsitos o menos.

"[C] uando incluimos los efectos de las nubes, el número de tránsitos que JWST necesitaba observar para detectar vapor de agua aumentó en un factor de 10 a 100, ", dijo Komacek." Existe un límite natural en la cantidad de tránsitos que JWST puede observar para un planeta dado porque JWST tiene una vida útil nominal establecida de la misión de cinco años, y la observación de la transmisión solo se puede tomar cuando el planeta pasa entre nosotros y su estrella anfitriona ".

También encontraron que el impacto de la cubierta de nubes era especialmente fuerte con planetas de rotación más lenta alrededor de enanas rojas. Básicamente, los planetas que tienen períodos orbitales superiores a unos 12 días experimentarían más formación de nubes en sus lados diurnos. "Descubrimos que para los planetas que orbitan alrededor de una estrella como TRAPPIST-1 (el objetivo más favorable conocido), JWST no podría observar suficientes tránsitos para detectar vapor de agua, "dijo Komacek.

Estos resultados son similares a lo que han observado otros investigadores, añadió. El año pasado, un estudio dirigido por investigadores de la NASA Goddard mostró cómo la capa de nubes haría que el vapor de agua fuera indetectable en las atmósferas de los planetas TRAPPIST-1. A principios de este mes, otro estudio de la NASA apoyado por Goddard mostró que las nubes reducirán la amplitud del vapor de agua hasta el punto que el JWST las eliminaría como ruido de fondo.

Pero antes de que vayamos pensando que todo son malas noticias este estudio presenta algunas sugerencias para superar estas limitaciones. Por ejemplo, si el tiempo de la misión es un factor, la misión JWST se puede ampliar para que los científicos tengan más tiempo para recopilar datos. Ya, La NASA espera tener el telescopio espacial en funcionamiento durante 10 años, por lo que una extensión de la misión ya es una posibilidad.

Al mismo tiempo, un umbral de señal a ruido reducido para la detección podría permitir que se seleccionen más señales de los espectros (aunque eso significaría más falsos positivos, así como). Además, Komacek y sus colegas señalan que estos resultados se aplican solo a las características que se encuentran debajo de la capa de nubes en los exoplanetas:"Debido a que el vapor de agua está atrapado principalmente por debajo del nivel de la nube de agua, La fuerte cobertura de nubes en los planetas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas hace que sea increíblemente difícil detectar las características del agua. En tono rimbombante, se espera que JWST aún pueda restringir la presencia de componentes atmosféricos clave como el dióxido de carbono y el metano en solo una docena de tránsitos más o menos ".

Una vez más, estos resultados están respaldados por investigaciones previas. El año pasado, un estudio de la Universidad de Washington examinó la detectabilidad y las características de los planetas TRAPPIST-1 y descubrió que es poco probable que las nubes tengan un impacto significativo en la detectabilidad de las características del oxígeno y el ozono, dos firmas biológicas clave que están asociadas con la presencia de vida .

Realmente, el JWST solo podría tener dificultades para detectar vapor de agua en atmósferas de exoplanetas, al menos en lo que respecta a la densa capa de nubes. El JWST no debería tener problemas para detectar otras firmas biológicas, nubes o sin nubes. Se espera que salgan grandes cosas de Webb, El telescopio espacial más poderoso y sofisticado de la NASA hasta la fecha, y todo comenzará el próximo año.