Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), un equipo de astrónomos, incluidos científicos del MPIA, construyó un mapa de temperatura global del exoplaneta gigante gaseoso WASP-43b. La estrella madre cercana ilumina perpetuamente un hemisferio, elevando las temperaturas a unos abrasadores 1250°C. Mientras tanto, la noche eterna envuelve el lado opuesto.
Los vientos violentos transportan el aire caliente y abrasador hacia la zona nocturna, donde se enfría a 600 °C, lo que permite que se formen nubes que cubran todo el hemisferio. Estas tempestades perjudican tanto las reacciones químicas que apenas se puede formar metano, aunque debería ser abundante en condiciones más tranquilas.
Los Júpiter calientes son exoplanetas gigantes gaseosos extremos que orbitan cerca de sus estrellas anfitrionas, lo que da lugar a varias propiedades exóticas en cuanto a temperatura, densidad, composición, química y clima. Con la llegada de telescopios innovadoramente sensibles, como el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los astrónomos han comenzado a estudiar sus atmósferas con gran detalle.
Una colaboración internacional de astrónomos, el equipo JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), observó el caliente Júpiter WASP-43b con el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de JWST para estudiar su clima.
Los resultados de esa investigación dirigida por Taylor J. Bell (Instituto BAER y División de Astrobiología y Ciencia Espacial, Centro de Investigación Ames de la NASA, EE. UU.) se publican en Nature Astronomy. .
El resultado central es un mapa que describe la distribución global de la temperatura derivada de la luz infrarroja que WASP-43b emite en respuesta a la irradiación de su estrella anfitriona. Al cubrir un rango espectral sensible a materiales cálidos, MIRI funciona de manera similar a un termómetro sin contacto utilizado para medir la temperatura corporal, pero a grandes distancias, que ascienden a 280 años luz para WASP-43b.
En este mapa, las temperaturas medidas están entre 600°C y 1250°C. Por el contrario, utilizando observaciones comparables, Júpiter, el gigante gaseoso del sistema solar, alcanza una temperatura helada de -135°C.
Aunque similar en tamaño y masa a Júpiter, es un mundo muy diferente. WASP-43b mantiene una órbita excepcionalmente estrecha alrededor de su estrella anfitriona, WASP-43, viajando sólo dos diámetros estelares por encima de la superficie de la estrella y completando su órbita en sólo 19,5 horas. La pequeña separación provocó que el día y el año del planeta se sincronizaran. En otras palabras, girar alrededor de la estrella requiere el mismo tiempo que el planeta necesita para girar alrededor de su eje. En consecuencia, la estrella siempre ilumina y calienta el mismo lado del planeta.
Los vientos llevan el aire al hemisferio opuesto, donde se enfría en la noche eterna. Sin embargo, en WASP-43b, estos vientos son extremadamente violentos, con velocidades que alcanzan casi los 9.000 km/h, algo que supera todo lo que presenciamos en el sistema solar. En comparación, incluso los vientos más fuertes de Júpiter no son más que una brisa suave.
"Con el Hubble pudimos ver claramente que hay vapor de agua en el lado diurno. Tanto el Hubble como el Spitzer sugirieron que podría haber nubes en el lado nocturno", explicó Bell. "Pero necesitábamos mediciones más precisas del JWST para realmente comenzar a mapear la temperatura, la cobertura de nubes, los vientos y la composición atmosférica más detallada en todo el planeta".
Las observaciones del JWST encontraron que el contraste de temperatura entre el día y la noche era más fuerte de lo que cabría esperar en una atmósfera libre de nubes. Los cálculos del modelo confirman que la cara nocturna del planeta está envuelta por una gruesa capa de nubes en lo alto de la atmósfera, que bloquea gran parte de la radiación infrarroja que de otro modo veríamos desde abajo.
Aún se desconocen los tipos exactos de nubes. Claramente, no serán nubes de agua como las de la Tierra, y mucho menos las nubes de amoníaco que vemos en Júpiter, ya que el planeta está demasiado caliente para que se condensen agua y amoníaco. En cambio, es más probable que haya nubes hechas de rocas y minerales a estas temperaturas. Por lo tanto, deberíamos esperar nubes formadas por gotas de roca líquida. Por otro lado, el lado más caluroso del día de WASP-43b parece estar libre de nubes.
Para investigar la composición atmosférica con más detalle, el equipo produjo espectros, es decir, descompusieron la luz infrarroja recibida en pequeñas secciones de longitud de onda, similar a un arco iris que revela los componentes de color de la luz solar. Este método les permitió identificar las firmas de compuestos químicos individuales que irradian en longitudes de onda específicas.
Como resultado, los astrónomos confirmaron mediciones anteriores de vapor de agua, pero ahora en todo el planeta. Hubble sólo pudo estudiar el lado diurno, ya que el lado nocturno estaba demasiado oscuro para reconocer las moléculas allí. JWST, con su mayor sensibilidad, ahora completa el cuadro.
Además, los Júpiter calientes suelen albergar grandes cantidades de hidrógeno molecular y monóxido de carbono, los cuales no pudieron ser investigados con las observaciones del equipo. Sin embargo, cuando se los somete al lado nocturno más fresco, el hidrógeno y el monóxido de carbono participan en una serie de reacciones que producirían metano y agua. Sin embargo, MIRI no encontró metano.
Los astrónomos explican esta sorpresa por la enorme velocidad del viento en WASP-43b. Los compañeros de reacción pasan por el lado nocturno más frío tan rápidamente que queda poco tiempo para que las reacciones químicas esperadas produzcan cantidades detectables de metano. Cualquier pequeña fracción de metano se mezcla completamente con los demás gases. Rápidamente vuelve a llegar al lado del día, donde queda expuesto al calor destructivo.
"Con el nuevo poder de observación del JWST, WASP-43b ha sido revelado con un detalle sin precedentes", afirmó Laura Kreidberg, directora del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania. Es coautora del artículo de investigación subyacente y ha estado explorando el planeta durante una década.
"Vemos un mundo complejo e inhóspito, con vientos furiosos, cambios masivos de temperatura y nubes irregulares probablemente formadas por gotas de roca. WASP-43b es un recordatorio de la amplia gama de climas posibles en los exoplanetas y las muchas formas en que la Tierra es especial."
Observando un carrusel planetario
WASP-43b fue descubierto en 2011 mediante el método de tránsito. Siempre que la órbita de un exoplaneta se orienta de manera que, desde nuestra perspectiva, pase por delante de su estrella anfitriona, la ocultación bloquea una pequeña porción de la luz estelar. Estas caídas periódicas en el brillo estelar son una señal reveladora de que un objeto gira alrededor de la estrella. La forma exacta permite calcular el tamaño y la inclinación orbital del planeta.
Los astrónomos aprovechan un efecto secundario para estudiar el planeta en detalle. Consideremos a Venus cambiando su iluminación, asemejándose a las fases lunares, durante su órbita alrededor del sol. Los exoplanetas en tránsito presentan fases variables de emisión infrarroja de la misma manera, dependiendo de cómo la estrella calienta el lado diurno.
La observación del cambio gradual de proporciones que vemos en los hemisferios frío y caliente da como resultado un patrón característico de cómo el brillo infrarrojo medido del planeta varía en el tiempo. El análisis de esta diminuta señal, la llamada curva de fase, que los astrónomos recibieron de WASP-43b les permitió construir el mapa de temperatura y localizar los gases que componen la atmósfera del planeta.
Un estudio de seguimiento realizado por otro equipo dirigido por el ex científico del MPIA Stephan Birkmann (Agencia Espacial Europea, ESA) analizará WASP-43b con el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) de JWST. Estas mediciones serán sensibles al gas monóxido de carbono que debería prevalecer en toda la atmósfera.
Además, la cobertura de longitud de onda ampliada mejorará la fidelidad del mapa de temperatura MIRI y ayudará a investigar la distribución y composición de las nubes con mayor precisión.
Más información: Taylor J. Bell et al, Nubes nocturnas y química de desequilibrio en el caliente Júpiter WASP-43b, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02230-x
Información de la revista: Astronomía de la Naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
