Ha llegado el momento de que el telescopio espacial James Webb lleve la astronomía de exoplanetas a los confines exteriores. Los investigadores europeos han estado trabajando mucho en la preparación para este momento.

Desde su lanzamiento el 25 de diciembre de 2021 a bordo de un cohete Ariane 5 desde la Guayana Francesa y después de 30 años de fabricación, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) es el regalo de Navidad para los astrónomos que sigue dando.

Como muchos astrónomos en Europa, Pierre-Olivier Lagage, astrofísico de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA), con sede en París, se ha estado preparando para JWST durante años.

Un proyecto conjunto con la NASA, la Agencia Espacial Canadiense (CSA) y la Agencia Espacial Europea (ESA), JWST comenzó a transmitir sus primeras imágenes del cosmos en julio de 2022 después de llegar a su punto de vista a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra y desplegar su protector solar gigante distintivo.

Un digno sucesor del icónico telescopio espacial Hubble, el JWST de 10 000 millones de euros tiene grandes objetivos científicos. Estos incluyen el estudio del universo primitivo poco después del Big Bang, las galaxias y la formación de estrellas, los agujeros negros, nuestro propio sistema solar y la búsqueda de los componentes básicos de la vida en el universo.

Mina de oro científica

"Un exoplaneta es un planeta que orbita alrededor de una estrella que no sea el sol", dijo Lagage.

Lagage es el investigador principal del proyecto ExoplANETS A, o ExoplANETS A, financiado por H2020 Exoplanet Atmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis. Él y sus colegas desarrollaron una herramienta de datos para explotar la riqueza de datos espectroscópicos existentes de misiones anteriores para estudiar exoplanetas.

Desde un principio, la astronomía de exoplanetas ha descubierto miles de exoplanetas en los últimos 20 años. Ahora, la instrumentación de espectroscopia de JWST ofrece una oportunidad sin precedentes para estudiar exoplanetas en busca de las firmas químicas de la vida en su atmósfera.

La espectroscopia de exoplanetas en tránsito es una de las principales técnicas en la astronomía de exoplanetas. Cuando un planeta en órbita se mueve frente a su estrella en relación con el observador, el espectro de luz de la estrella cambia a medida que pasa a través de la atmósfera del planeta. Cuando se detectan los cambios en la luz, indican la composición química de la atmósfera del planeta y si es probable que soporte vida o no.

La herramienta Exoplanets A utiliza el análisis de datos para permitir a los astrónomos caracterizar una amplia gama de atmósferas de exoplanetas. Es probable que los astrónomos que utilizan JWST lo encuentren útil para ayudar en sus propias observaciones al indicar qué información es probable que sea útil y qué es probable que sea ruido.

Un inconveniente de las observaciones espectroscópicas es que, si bien son una mina de oro de información, la señal se mezcla con mucho ruido. La información inútil no relacionada con la atmósfera del exoplaneta puede oscurecer los datos valiosos de la observación.

Ruido sistemático

Esto se debe a que la señal creada por la atmósfera planetaria es pequeña en comparación con el resto de la luz que proviene de la estrella, según Lagage. "Entonces, debe desarrollar herramientas para eliminar este ruido sistemático y obtener la señal correcta", dijo.

El proyecto Exoplanetas A va más allá. Para modelar la atmósfera de un exoplaneta, también es necesario tener un buen conocimiento de su estrella anfitriona. Para ayudar con esto, el proyecto creó una base de datos de las propiedades de las estrellas con exoplanetas. Se hizo con datos archivados del observatorio espacial XMM-Newton y Gaia de la ESA.

Las observaciones iniciales de exoplanetas de JWST fueron del planeta gigante de gas caliente WASP-39b, descrito como un "Júpiter caliente". Orbita alrededor de una estrella similar al Sol a 700 años luz de distancia. El mes pasado, utilizando espectroscopia, JWST realizó la primera observación confirmada de dióxido de carbono en un exoplaneta.

Atrapado en un TRAPPIST-1

El proyecto ESCAPE (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets similar to Earth) también ha estado buscando atajos para ayudar a caracterizar las atmósferas de exoplanetas similares a la Tierra.

Martin Turbet, astrofísico del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) e investigador principal del proyecto ESCAPE financiado por H2020, dijo que esto requería explorar técnicas de observación novedosas, utilizando diferentes telescopios terrestres y espaciales.

Por ejemplo, los astrónomos han estado desarrollando nuevos métodos para calcular la densidad de los planetas que orbitan TRAPPIST-1, una estrella enana roja ultrafría a unos 40 años luz de nuestro sistema solar.

Descubierta inicialmente en 2000, se anunció más tarde en 2017 que la estrella TRAPPIST-1 alberga siete pequeños exoplanetas, orbitando en formación cerrada, al menos algunos de los cuales pueden ser habitables.

Para calcular la densidad de un planeta, necesitas saber su radio y masa. El tamaño del planeta se puede hacer usando observaciones espectroscópicas. La masa se puede calcular observando el efecto de la atracción gravitatoria del planeta sobre su estrella anfitriona.

Pesaje de exoplanetas

"Esta es la forma clásica de medir el peso de un planeta", dijo Turbet. "Pero en el caso de los planetas TRAPPIST-1, la masa de los planetas es tan pequeña que la técnica clásica no funciona".

Sin embargo, el sistema TRAPPIST-1 es peculiar porque los siete planetas orbitan muy cerca uno del otro y ejercen fuertes fuerzas gravitatorias entre sí, dijo.

Esto afecta sus órbitas y significa que no pasan ni transitan frente a su estrella anfitriona en puntos de tiempo fijos.

La medición de las desviaciones en estos tiempos de tránsito permitió a los investigadores evaluar la fuerza de las fuerzas gravitatorias entre los planetas y evaluar sus masas, dijo Turbet.

Gracias a esta técnica, dicen que ahora pueden hacer las predicciones más precisas hasta el momento del contenido de agua de los siete planetas conocidos en el sistema TRAPPIST-1.

Las observaciones y los cálculos de masa, densidad y contenido de agua se realizaron utilizando telescopios terrestres, como el telescopio SPECULOOS en el Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile, telescopios espaciales y trabajos teóricos novedosos.

Turbet dijo que el JWST y el Extremely Large Telescope (ELT) planeado podrían detectar signos potenciales de vida, conocidos como biomarcadores, en atmósferas de exoplanetas.

Sin embargo, advirtió que estos "no pueden usarse como prueba definitiva de que hay vida en el planeta". Esto se debe a que un trabajo reciente ha demostrado que los biomarcadores, como el oxígeno, pueden formarse sin vida.

Luz de estrella reflejada

Turbet y sus colegas también han estado investigando una nueva técnica de espectroscopia, conocida como espectroscopia de luz reflejada. En lugar de analizar cómo cambia la luz de una estrella cuando un planeta pasa frente a ella, este método analiza cómo la atmósfera del planeta refleja la luz de la estrella.

Los modelos de contenido de agua y atmósferas planetarias también ayudarán a las observaciones del JWST, dijo Turbet. Permitirán a los astrónomos planificar sus observaciones para maximizar la recopilación de datos de interés genuino.

Dicho esto, la investigación de exoplanetas no se trata solo de buscar vida extraterrestre. Los exoplanetas también podrían brindarnos información sobre la historia de la Tierra y cómo se desarrolló su atmósfera, según Lagage.

"Lo que más me interesa es la atmósfera de los exoplanetas del tamaño de la Tierra y la súper-Tierra", dijo. + Explora más

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