Antes de que los planetas alrededor de otras estrellas fueran descubiertos por primera vez en la década de 1990, estos mundos exóticos lejanos vivían solo en la imaginación de los escritores de ciencia ficción.

Pero incluso sus mentes creativas no podrían haber concebido la variedad de mundos que los astrónomos han descubierto. Muchos de estos mundos llamados exoplanetas, son muy diferentes de la familia de planetas de nuestro sistema solar. Van desde "Júpiter calientes" que abrazan estrellas hasta planetas rocosos de gran tamaño llamados "súper Tierras". Nuestro universo aparentemente es más extraño que la ficción.

Ver estos mundos distantes no es fácil porque se pierden en el resplandor de sus estrellas anfitrionas. Tratar de detectarlos es como esforzarse por ver una luciérnaga flotando junto a la brillante baliza de un faro.

Es por eso que los astrónomos han identificado la mayoría de los más de 4, 000 exoplanetas encontrados hasta ahora utilizando técnicas indirectas, como a través del ligero bamboleo de una estrella o su atenuación inesperada cuando un planeta pasa frente a ella, bloqueando algo de la luz de las estrellas.

Estas técnicas funcionan mejor, sin embargo, para los planetas que orbitan cerca de sus estrellas, donde los astrónomos pueden detectar cambios durante semanas o incluso días a medida que el planeta completa su órbita en la pista de carreras. Pero encontrar solo planetas que rozan estrellas no proporciona a los astrónomos una imagen completa de todos los mundos posibles en los sistemas estelares.

Otra técnica que utilizan los investigadores en la búsqueda de exoplanetas, que son planetas orbitando otras estrellas, es uno que se enfoca en planetas que están más lejos del resplandor cegador de una estrella. Los científicos han descubierto exoplanetas jóvenes que son tan calientes que brillan en luz infrarroja utilizando técnicas de imágenes especializadas que bloquean el resplandor de la estrella. De este modo, algunos exoplanetas pueden verse y estudiarse directamente.

El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA ayudará a los astrónomos a explorar más esta nueva frontera audaz. Webb, como algunos telescopios terrestres, está equipado con sistemas ópticos especiales llamados coronógrafos, que utilizan máscaras diseñadas para bloquear la mayor cantidad de luz estelar posible para estudiar exoplanetas débiles y descubrir nuevos mundos.

Dos objetivos al principio de la misión de Webb son los sistemas planetarios 51 Eridani y HR 8799. De las pocas docenas de planetas en los que se obtuvieron imágenes directas, Los astrónomos planean usar Webb para analizar en detalle los sistemas que están más cerca de la Tierra y tienen planetas en las separaciones más amplias de sus estrellas. Esto significa que parecen lo suficientemente lejos del resplandor de una estrella para ser observados directamente. El sistema HR 8799 reside a 133 años luz y 51 Eridani a 96 años luz de la Tierra.

Objetivos planetarios de Webb

Dos programas de observación al principio de la misión de Webb combinan las capacidades espectroscópicas del espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y las imágenes de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) para estudiar los cuatro planetas gigantes en el sistema HR 8799. En un tercer programa, Los investigadores utilizarán NIRCam para analizar el planeta gigante en 51 Eridani.

Cada uno de los cuatro planetas gigantes del sistema HR 8799 tiene aproximadamente 10 masas de Júpiter. Orbitan a más de 14 mil millones de millas de una estrella que es un poco más masiva que el sol. El planeta gigante en 51 Eridani tiene el doble de masa que Júpiter y orbita a unos 11 mil millones de millas de una estrella similar al sol. Ambos sistemas planetarios tienen órbitas orientadas cara a cara hacia la Tierra. Esta orientación brinda a los astrónomos una oportunidad única de obtener una vista de pájaro desde la parte superior de los sistemas, como mirar los anillos concéntricos de un objetivo de tiro con arco.

Muchos exoplanetas que se encuentran en las órbitas exteriores de sus estrellas son muy diferentes de los planetas de nuestro sistema solar. La mayoría de los exoplanetas descubiertos en esta región exterior, incluidos los de HR 8799, tienen entre cinco y 10 masas de Júpiter, haciéndolos los planetas más masivos jamás encontrados hasta la fecha.

Estos exoplanetas exteriores son relativamente jóvenes, de decenas de millones a cientos de millones de años, mucho más joven que los 4.500 millones de años de nuestro sistema solar. Entonces todavía están brillando con el calor de su formación. Las imágenes de estos exoplanetas son esencialmente fotografías de bebés, revelando planetas en su juventud.

Webb sondeará en el infrarrojo medio, un rango de longitud de onda que los astrónomos rara vez han usado antes para obtener imágenes de mundos distantes. Esta "ventana" infrarroja es difícil de observar desde el suelo debido a la emisión térmica y la absorción en la atmósfera terrestre.

"El punto fuerte de Webb es la luz desinhibida que atraviesa el espacio en el rango del infrarrojo medio, "dijo Klaus Hodapp de la Universidad de Hawái en Hilo, investigador principal de las observaciones NIRSpec del sistema HR 8799. "Es bastante difícil trabajar con la atmósfera de la Tierra. Las principales moléculas de absorción en nuestra propia atmósfera nos impiden ver características interesantes en los planetas".

El infrarrojo medio "es la región donde Webb realmente hará contribuciones fundamentales para comprender cuáles son las moléculas particulares, ¿Cuáles son las propiedades de la atmósfera que esperamos encontrar que realmente no obtenemos solo de la más corta? longitudes de onda del infrarrojo cercano, "dijo Charles Beichman del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, investigador principal de las observaciones NIRCam y MIRI del sistema HR 8799. "Nos basaremos en lo que han hecho los observatorios terrestres, pero el objetivo es expandirlo de una manera que sería imposible sin Webb ".

¿Cómo se forman los planetas?

Uno de los principales objetivos de los investigadores en ambos sistemas es utilizar Webb para ayudar a determinar cómo se formaron los exoplanetas. Fueron creados a través de una acumulación de material en el disco que rodea a la estrella, enriquecido en elementos pesados ​​como el carbono, tal como probablemente lo hizo Júpiter? O, ¿Se formaron a partir del colapso de una nube de hidrógeno? como una estrella, y hacerse más pequeño bajo la implacable atracción de la gravedad?

La composición atmosférica puede proporcionar pistas sobre el nacimiento de un planeta. "Una de las cosas que nos gustaría comprender es la proporción de los elementos que han intervenido en la formación de estos planetas, ", Dijo Beichman." En particular, El carbono versus el oxígeno te dice bastante sobre de dónde proviene el gas que formó el planeta. ¿Provino de un disco que acumuló muchos de los elementos más pesados ​​o vino del medio interestelar? Así que es lo que llamamos la relación carbono-oxígeno lo que es bastante indicativo de los mecanismos de formación ".

Para responder a estas preguntas, los investigadores utilizarán Webb para explorar más profundamente las atmósferas de los exoplanetas. NIRCam, por ejemplo, medirá las huellas atmosféricas de elementos como el metano. También observará las características de las nubes y las temperaturas de estos planetas. "Ya tenemos mucha información en estas longitudes de onda del infrarrojo cercano de instalaciones terrestres, "dijo Marshall Perrin del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, investigador principal de las observaciones de NIRCam de 51 Eridani b. "Pero los datos de Webb serán mucho más precisos, mucho más sensible. Tendremos un conjunto más completo de longitudes de onda, incluido llenar los espacios donde no se pueden obtener esas longitudes de onda del suelo ".

Los astrónomos también utilizarán Webb y su excelente sensibilidad para buscar planetas menos masivos lejos de su estrella. "A partir de observaciones terrestres, sabemos que estos planetas masivos son relativamente raros, "Perrin dijo." Pero también sabemos que para las partes internas de los sistemas, Los planetas de menor masa son dramáticamente más comunes que los planetas de mayor masa. Entonces la pregunta es, ¿También es cierto para estas separaciones adicionales? ", agregó Beichman, "La operación de Webb en el ambiente frío del espacio permite una búsqueda de planetas más pequeños, imposible de detectar desde el suelo ".

Otro objetivo es comprender cómo se crearon los innumerables sistemas planetarios descubiertos hasta ahora.

"Creo que lo que estamos encontrando es que existe una gran diversidad en los sistemas solares, "Perrin dijo." Tienes sistemas donde tienes estos planetas calientes de Júpiter en órbitas muy cercanas. Tienes sistemas donde no los tienes. Tienes sistemas en los que tienes un planeta con una masa de 10 Júpiter y otros en los que no tienes nada más masivo que varias Tierras. En última instancia, queremos comprender cómo la diversidad de la formación del sistema planetario depende del entorno de la estrella, la masa de la estrella, todo tipo de otras cosas y, finalmente, a través de estos estudios a nivel de población, esperamos situar nuestro propio sistema solar en contexto ".

Las observaciones espectroscópicas NIRSpec de HR 8799 y las observaciones NIRCam de 51 Eridani son parte de los programas de Observaciones de tiempo garantizado que se llevarán a cabo poco después del lanzamiento de Webb a finales de este año. Las observaciones NIRCam y MIRI de HR 8799 es una colaboración de dos equipos de instrumentos y también es parte del programa de Observaciones de Tiempo Garantizado.