Webb detecta dióxido de carbono en la atmósfera de un exoplaneta

El exoplaneta estudiado

WASP-39 b es un gigante de gas caliente con una masa de aproximadamente una cuarta parte de la de Júpiter (casi la misma que la de Saturno) y un diámetro 1,3 veces mayor que el de Júpiter. Su extrema hinchazón está relacionada en parte con su alta temperatura (alrededor de 900 °C). A diferencia de los gigantes gaseosos más fríos y compactos de nuestro Sistema Solar, WASP-39 b orbita muy cerca de su estrella anfitriona, solo alrededor de una octava parte de la distancia entre el Sol y Mercurio, completando un circuito en poco más de cuatro días terrestres. El descubrimiento del planeta, informado en 2011, se basó en detecciones terrestres de la atenuación sutil y periódica de la luz de su estrella anfitriona a medida que el planeta transita o pasa frente a la estrella.

Los planetas en tránsito como WASP-39 b, cuyas órbitas observamos de canto en lugar de desde arriba, pueden brindar a los investigadores oportunidades ideales para sondear atmósferas planetarias.

Durante un tránsito, parte de la luz de las estrellas es eclipsada por el planeta por completo (lo que provoca la atenuación general) y parte se transmite a través de la atmósfera del planeta. La atmósfera filtra algunos colores más que otros, dependiendo de factores como de qué está hecha, qué tan espesa es y si hay nubes o no. (Observamos este efecto en nuestra propia atmósfera a medida que el color y la calidad de la luz del día cambian dependiendo de qué tan brumoso o húmedo esté el aire, o dónde esté el Sol en el cielo).

Debido a que diferentes gases absorben diferentes combinaciones de colores, los investigadores pueden analizar pequeñas diferencias en el brillo de la luz transmitida a lo largo de un espectro de longitudes de onda y, por lo tanto, determinar exactamente de qué está hecha una atmósfera. Con su combinación de atmósfera inflada y tránsitos frecuentes, WASP-39 b es un objetivo ideal para esta técnica, conocida como espectroscopia de transmisión. El equipo utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb ( NIRSpec ) para realizar esta detección.

En el espectro resultante de la atmósfera del exoplaneta, la pequeña colina entre 4,1 y 4,6 micrones es cualquier cosa menos trivial para los investigadores de exoplanetas. Es la primera evidencia clara, detallada e indiscutible de dióxido de carbono jamás detectada en un planeta fuera del Sistema Solar.

“Tan pronto como aparecieron los datos en mi pantalla, me atrapó la increíble función de dióxido de carbono”, dijo Zafar Rustamkulov, estudiante graduado de la Universidad Johns Hopkins en los Estados Unidos y miembro del equipo de exoplanetas en tránsito. "Fue un momento especial, cruzar un umbral importante en las ciencias de los exoplanetas".

Incluso sin la fuerte característica de dióxido de carbono, este espectro sería notable. Ningún observatorio ha medido antes diferencias tan sutiles en el brillo de tantos colores individuales en el rango de 3 a 5,5 micrones en el espectro de transmisión de un exoplaneta. El acceso a esta parte del espectro es crucial para medir la abundancia de gases como el agua y el metano, así como el dióxido de carbono, que se cree que existen en las atmósferas de muchos tipos diferentes de exoplanetas.

"Detectar una señal tan clara de dióxido de carbono en WASP-39 b es un buen augurio para la detección de atmósferas en planetas más pequeños del tamaño de la Tierra", dijo Natalie Batalha de la Universidad de California en Santa Cruz, EE. UU., quien dirige el equipo de investigadores. estudiando exoplanetas en tránsito con Webb.

"Es sorprendente ver que el instrumento ESA NIRSpec produce estos increíbles datos tan temprano en la misión, cuando sabemos que aún podemos mejorar la calidad de los datos en el futuro", agregó Sarah Kendrew, científica de instrumentos y calibración Webb MIRI de ESA en Space Telescope Science. Instituto en Baltimore, Estados Unidos.

Comprender la composición de la atmósfera de un planeta es importante porque nos dice algo sobre el origen del planeta y cómo evolucionó. "Las moléculas de dióxido de carbono son rastreadores sensibles de la historia de la formación de planetas”, dijo Mike Line, miembro del equipo de la Universidad Estatal de Arizona, EE. UU. “Al medir esta característica de dióxido de carbono, podemos determinar cuánto material sólido versus cuánto material gaseoso se usó para formar este planeta gigante gaseoso. En la próxima década, Webb realizará esta medición para una variedad de planetas, brindando información sobre los detalles de cómo se forman los planetas y la singularidad de nuestro propio Sistema Solar”.

Estos resultados también se basan en investigaciones existentes realizadas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. “Durante las últimas décadas, el telescopio espacial Hubble ha sentado el precedente de los misterios que contienen estas atmósferas, desde nubes que se dispersan y oscurecen las características moleculares, hasta detecciones de absorción de vapor de agua y atmósferas que escapan”, dijo Hannah Wakeford, miembro del equipo de la Universidad de Bristol. en el Reino Unido. “Webb complementará y ampliará estos estudios con mayor resolución, cobertura de longitud de onda y precisión para revelar las tendencias clave en los datos que apuntan a la formación y evolución de estos planetas”.

La observación del prisma NIRSpec de WASP-39 b es solo una parte de una investigación más amplia que incluye observaciones del planeta utilizando una serie de instrumentos, así como observaciones de otros dos planetas en tránsito. La investigación, que forma parte del programa Early Release Science, se diseñó para proporcionar a la comunidad de investigación de exoplanetas datos sólidos de Webb lo antes posible.

“Ver los datos por primera vez fue como leer un poema en su totalidad, cuando antes solo teníamos una de cada tres palabras”, agregó Laura Kreidberg, miembro del equipo del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania. “Estos primeros resultados son solo el comienzo; los datos de Early Release Science han demostrado que Webb funciona maravillosamente, y que los exoplanetas más pequeños y más fríos (más parecidos a nuestra propia Tierra) están a su alcance”.

“El objetivo es analizar las observaciones de Early Release Science rápidamente y desarrollar herramientas de código abierto para que las utilice la comunidad científica”, explicó Vivien Parmentier de la Universidad de Oxford en el Reino Unido. “Esto permite contribuciones de todo el mundo y garantiza que la mejor ciencia posible surja de las próximas décadas de observaciones”.

Estos resultados se publicarán la próxima semana en Nature. Los datos se obtuvieron durante el programa #1366 de Webb Early Release Science (DD-ERS).

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Acerca de Webb

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb resolverá misterios en nuestro Sistema Solar, mirará más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro Universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense. Las principales contribuciones de la ESA a la misión son: el instrumento NIRSpec; el conjunto de banco óptico del instrumento MIRI; la prestación de los servicios de lanzamiento; y personal para apoyar las operaciones de la misión. A cambio de estas contribuciones, los científicos europeos obtendrán una participación mínima del 15 % del tiempo total de observación, como el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA.

NIRSpec fue construido para la Agencia Espacial Europea (ESA) por un consorcio de empresas europeas lideradas por Airbus Defence and Space (ADS) con el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA proporcionando sus subsistemas de detector y micro-obturador.

25 agosto 2022

ESA