El Telescopio Espacial Webb resuelve el raro caso de un exoplaneta inflado
¿Por qué el exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b está tan hinchado? Dos equipos independientes de investigadores tienen una respuesta
Según informa la NASA en Español, los datos recopilados utilizando el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, combinados con observaciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, muestran sorprendentemente poco metano (CH4) en la atmósfera del planeta, lo que indica que el interior de WASP-107 b debe estar significativamente más caliente y el núcleo mucho más masivo de lo estimado previamente.
Se cree que la temperatura inesperadamente alta es el resultado del calentamiento de las mareas causado por la órbita ligeramente no circular del planeta, y puede explicar cómo WASP-107 b puede inflarse tanto sin recurrir a teorías extremas sobre cómo se formó.
Los resultados, que fueron posibles gracias a la extraordinaria sensibilidad de Webb y su capacidad para medir la luz que pasa a través de las atmósferas de los exoplanetas, pueden explicar la hinchazón de docenas de exoplanetas de baja densidad, ayudando a resolver un misterio de larga data en la ciencia de los exoplanetas.
El problema con WASP-107b
Con más de tres cuartas partes del volumen de Júpiter pero menos de una décima parte de su masa, el exoplaneta WASP-107 b, el “cálido Neptuno”, es uno de los planetas menos densos conocidos. Si bien los planetas hinchados no son infrecuentes, la mayoría son más calientes y masivos y, por lo tanto, más fáciles de explicar.
"Basándonos en su radio, masa, edad y temperatura interna supuesta, pensamos que WASP-107 b tenía un núcleo rocoso muy pequeño rodeado por una enorme masa de hidrógeno y helio", explicó Luis Welbanks de la Universidad Estatal de Arizona (ASU), autor principal de un artículo publicado hoy en Nature. "Pero era difícil entender cómo un núcleo tan pequeño podía absorber tanto gas y luego no llegar a crecer hasta convertirse en un planeta con la masa de Júpiter".
Si WASP-107 b, en cambio, tuviera más masa en el núcleo, la atmósfera debería haberse contraído a medida que el planeta se enfrió con el tiempo desde que se formó. Sin una fuente de calor para volver a expandir el gas, el planeta debería ser mucho más pequeño. Aunque WASP-107 b tiene una distancia orbital de poco más de 8 millones de kilómetros (un séptimo de la distancia entre Mercurio y el Sol), no recibe suficiente energía de su estrella para estar tan inflado.
"WASP-107 b es un objetivo muy interesante para Webb porque es significativamente más frío y tiene una masa más parecida a la de Neptuno que muchos de los otros planetas de baja densidad, los Júpiter calientes, que hemos estado estudiando", dijo David Sing de la Universidad Johns Hopkins (JHU), autor principal de un estudio paralelo también publicado hoy en Nature. "Como resultado, deberíamos poder detectar metano y otras moléculas que puedan brindarnos información sobre su química y dinámica interna que no podemos obtener de un planeta más caliente".
Una gran cantidad de moléculas previamente indetectables
El radio gigante, la atmósfera extendida y la órbita de borde de WASP-107 b lo hacen ideal para la espectroscopia de transmisión, un método utilizado para identificar los diversos gases en la atmósfera de un exoplaneta en función de cómo afectan la luz de las estrellas.
Combinando observaciones de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb, la MIRI (instrumento de infrarrojo medio) de Webb y la WFC3 (cámara de campo amplio 3) del Hubble, el equipo de Welbanks pudo construir un amplio espectro de luz absorbida de 0,8 a 12,2 micrones por la atmósfera de WASP-107 b. Utilizando el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb, el equipo de Sing construyó un espectro independiente que abarca de 2,7 a 5,2 micrones.
La precisión de los datos hace posible no sólo detectar, sino también medir la abundancia de una gran cantidad de moléculas, incluido el vapor de agua (H2O), el metano (CH4), el dióxido de carbono (CO2), el monóxido de carbono (CO), el dióxido de azufre (SO2) y amoníaco (NH3).
Gas turbulento, interior caliente y núcleo masivo
Ambos espectros muestran una sorprendente falta de metano en la atmósfera de WASP-107 b: una milésima de la cantidad esperada según la temperatura supuesta.
"Esto es evidencia de que el gas caliente de las profundidades del planeta debe estar mezclándose vigorosamente con las capas más frías de más arriba", explicó Sing. “El metano es inestable a altas temperaturas. El hecho de que hayamos detectado tan poco, aunque sí detectamos otras moléculas que contienen carbono, nos dice que el interior del planeta debe estar significativamente más caliente de lo que pensábamos”.
Una fuente probable de energía interna adicional de WASP-107 b es el calentamiento de las mareas causado por su órbita ligeramente elíptica. Dado que la distancia entre la estrella y el planeta cambia continuamente durante la órbita de 5,7 días, la atracción gravitacional también está cambiando, estirando el planeta y calentándolo.
Los investigadores habían propuesto previamente que el calentamiento de las mareas podría ser la causa de la hinchazón de WASP-107 b, pero hasta que llegaron los resultados de Webb, no había pruebas.
Una vez que establecieron que el planeta tiene suficiente calor interno para agitar completamente la atmósfera, los equipos se dieron cuenta de que los espectros también podrían proporcionar una nueva forma de estimar el tamaño del núcleo.
"Si sabemos cuánta energía hay en el planeta, y sabemos qué proporción del planeta son elementos más pesados como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre, en comparación con la cantidad de hidrógeno y helio, podemos calcular cuánta masa debe haber en el núcleo", explicó Daniel Thorngren de JHU.
Resulta que el núcleo tiene al menos el doble de masa de lo estimado originalmente, lo que tiene más sentido en términos de cómo se forman los planetas.
En conjunto, WASP-107 b no es tan misterioso como parecía.