Detectan vapor de agua y nubes de arena en un exoplaneta cercano

Estas partículas residen en una atmósfera dinámica que presenta un vigoroso transporte de material revelan astrónomos de la Universidad Católica de Lovaina en un estudio publicado en Nature.

Astrónomos de todo el mundo están aprovechando las avanzadas capacidades del Instrumento del Infrarrojo Medio (MIRI) a bordo del Telescopio Espacial James Webb (JWST) para llevar a cabo observaciones pioneras de exoplanetas, planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas de nuestro Sol.

Uno de estos fascinantes mundos es WASP-107b, un exoplaneta gaseoso único que órbita alrededor de una estrella ligeramente más fría y menos masiva que nuestro Sol.

La masa del planeta es similar a la de Neptuno, pero su tamaño es mucho mayor, acercándose casi al tamaño de Júpiter. Esta característica hace que WASP-107b sea bastante “esponjoso” en comparación con los planetas gigantes gaseosos de nuestro sistema solar.

La esponjosidad de este exoplaneta permite a los astrónomos observar su atmósfera unas 50 veces más a fondo que en el caso de un gigante del sistema solar como Júpiter.

El equipo de astrónomos europeos aprovechó al máximo la extraordinaria esponjosidad de este exoplaneta, que les permitió observar su atmósfera en profundidad.

Esta oportunidad abrió una ventana para desentrañar la compleja composición química de su atmósfera porque las señales, o características espectrales, son mucho más prominentes en una atmósfera menos densa que en una más compacta.

El estudio revela la presencia de vapor de agua, dióxido de azufre (SO2) y nubes de silicato, pero, sobre todo, no hay rastro del gas de efecto invernadero metano (CH4).

Estas detecciones proporcionan información crucial sobre la dinámica y la química de este cautivador exoplaneta.

Dióxido de azufre

En primer lugar, la ausencia de metano apunta a un interior potencialmente cálido, ofreciendo un tentador vistazo al movimiento de la energía térmica en la atmósfera del planeta. En segundo lugar, el descubrimiento de dióxido de azufre fue una gran sorpresa.

Los modelos anteriores habían predicho su ausencia, pero los nuevos modelos climáticos de la atmósfera de WASP-107b muestran ahora que la propia esponjosidad de WASP-107b permite la formación de dióxido de azufre en su atmósfera.

Aunque su estrella anfitriona emite una fracción relativamente pequeña de fotones de alta energía debido a su naturaleza más fría, estos fotones pueden alcanzar las profundidades de la atmósfera del planeta gracias a su naturaleza esponjosa. Esto permite que se produzcan las reacciones químicas necesarias para producir dióxido de azufre.

Además, tanto las características espectrales del dióxido de azufre como las del vapor de agua disminuyen considerablemente en comparación con las que tendrían en un escenario sin nubes. Las nubes a gran altitud ocultan parcialmente el vapor de agua y el dióxido de azufre en la atmósfera.

Aunque en otros exoplanetas se han deducido nubes, éste es el primer caso en el que los astrónomos pueden identificar definitivamente su composición química.

Nubes

En este caso, las nubes consisten en pequeñas partículas de silicato, una sustancia familiar para los humanos que se encuentra en muchas partes del mundo como constituyente primario de la arena.

“JWST está revolucionando la caracterización de exoplanetas, proporcionando información sin precedentes a una velocidad asombrosa --celebra la autora principal, la profesora Leen Decin, de la Universidad Católica de Lovaina--.

El descubrimiento de nubes de arena, agua y dióxido de azufre en este exoplaneta esponjoso por el instrumento MIRI de JWST es un hito fundamental. Remodela nuestra comprensión de la formación y evolución planetarias, arrojando nueva luz sobre nuestro propio Sistema Solar”.

A diferencia de la atmósfera terrestre, donde el agua se congela a bajas temperaturas, en los planetas gaseosos que alcanzan temperaturas en torno a los 1.000 grados centígrados, las partículas de silicato pueden congelarse y formar nubes.

Sin embargo, en el caso de WASP-107b, con una temperatura de unos 500 grados Celsius en la atmósfera exterior, los modelos tradicionales predecían que estas nubes de silicato deberían formarse a mayor profundidad dentro de la atmósfera, donde las temperaturas son sustancialmente más altas. Además, las nubes de arena en lo alto de la atmósfera producen lluvia.

Según el autor principal, el doctor Michiel Min, “el hecho de que veamos estas nubes de arena a gran altura en la atmósfera debe significar que las gotas de lluvia de arena se evaporan en capas más profundas, muy calientes, y el vapor de silicato resultante se desplaza eficazmente de nuevo hacia arriba, donde se recondensa para formar nubes de silicato una vez más.

Esto es muy similar al ciclo del vapor de agua y las nubes en nuestra Tierra, pero con gotas hechas de arena”. Este ciclo continuo de sublimación y condensación a través del transporte vertical es el responsable de la presencia duradera de nubes de arena en la atmósfera de WASP-107b.

Esta investigación pionera no sólo arroja luz sobre el exótico mundo de WASP-107b, sino que también amplía los límites de nuestra comprensión de las atmósferas exoplanetarias. Marca un hito importante en la exploración exoplanetaria, al revelar la intrincada interacción de las sustancias químicas y las condiciones climáticas de estos mundos lejanos.

Gracias a la financiación de la oficina federal belga de política científica BELSPO a través del programa PRODEX de la ESA, ingenieros y científicos belgas desempeñaron un papel clave en el diseño y desarrollo del instrumento MIRI, entre ellos el Centre Spatial de Liege (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi) y OIP Sensor Systems (Oudenaarde).

En el Instituto de Astronomía de la Universidad Católica de Lovaina, los científicos del instrumento MIRI lo probaron exhaustivamente en cámaras de pruebas especiales que simulaban el entorno espacial en laboratorios del Reino Unido, en el centro Goddard de la NASA y en el centro Johnson Space de la NASA.

“Con colegas de toda Europa y Estados Unidos llevamos casi 20 años construyendo y probando el instrumento MIRI. Es gratificante ver cómo nuestro instrumento desentraña la atmósfera de este intrigante exoplaneta”, afirma el doctor Bart Vandenbussche, especialista en instrumentos de la KU Leuven.

“Este estudio combina los resultados de varios análisis independientes de las observaciones del JWST, y representa los años de trabajo invertidos no sólo en la construcción del instrumento MIRI, sino también en las herramientas de calibración y análisis de los datos observacionales adquiridos con MIRI”, afirma el doctor Jeroen Bouwman, del Max-Planck-Institut für Astronomie, en Alemania.