Mediciones recientes con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) arrojan dudas sobre la comprensión actual de la naturaleza del exoplaneta Trappist-1 b. Hasta ahora, se pensaba que era un planeta rocoso profundo, formado por miles de millones de años de impacto cósmico de radiación y meteoritos. Lo contrario parece ser cierto. La superficie no muestra signos de erosión, lo que podría indicar actividad geológica como vulcanismo y tectónica de placas. Alternativamente, también es factible un planeta con una atmósfera nebulosa que contenga dióxido de carbono. Los resultados demuestran los desafíos que supone determinar las propiedades de exoplanetas con atmósferas finas.
Trappist-1 b es uno de los siete planetas rocosos que orbitan alrededor de la estrella Trappist-1, ubicada a 40 años luz de distancia. El sistema planetario es único porque permite a los astrónomos estudiar siete planetas similares a la Tierra a una distancia relativamente cercana, tres de los cuales se encuentran en la llamada zona habitable. Esta es la región de un sistema planetario donde puede existir agua líquida en la superficie de un planeta. Hasta la fecha, diez programas de investigación con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) han apuntado al sistema durante 290 horas.
El estudio actual, en el que participan de forma destacada investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, fue dirigido por Elsa Decrot del Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) en París, Francia. El estudio utiliza mediciones de radiación infrarroja térmica (esencialmente radiación de calor) del planeta Trappist-1 b con MIRI (Mid-Infrared Imager) en JWST y ahora se publica en la revista Naturaleza Astronomía. Esto incluye los hallazgos del año pasado, que se basaron en hallazgos anteriores, que describen a Trappist-1 b como un planeta rocoso oscuro sin atmósfera.
La corteza de Trappist-1 b puede estar geológicamente activa.
“Sin embargo, la idea de un planeta rocoso con una superficie pesada y sin atmósfera no se corresponde con las mediciones actuales”, afirma el astrónomo del MPIA Jeroen Bowman, coresponsable del programa de observación. “Por lo tanto, pensamos que el planeta está cubierto de material relativamente inalterado”. En general, la superficie se ve afectada por la radiación de la estrella central y los impactos de meteoritos. Sin embargo, los resultados sugieren que la roca de la superficie tiene como máximo 1.000 años, significativamente más joven que el propio planeta, que se estima que tiene varios miles de millones de años.
Esto podría indicar que la corteza del planeta está sujeta a cambios dramáticos, que podrían explicarse por un vulcanismo extremo o por la tectónica de placas. Aunque tal escenario sea actualmente hipotético, no deja de ser plausible. El planeta es lo suficientemente grande como para que su interior haya retenido calor residual de su formación, como ocurre con la Tierra. El impacto de marea de la estrella anfitriona y otros planetas también puede deformar Trappist-1 b de modo que la fricción interna resultante genere calor, como vemos en Io, la luna de Júpiter. Además, también sería posible imaginar un calentamiento atractivo por el campo magnético de una estrella cercana.
¿Podría Trappist-1 b tener atmósfera?
“Los datos también permiten soluciones completamente diferentes”, afirma Thomas Henning, director emérito del MPIA. Fue uno de los principales arquitectos del instrumento MIRI. «Al contrario de lo que se pensaba anteriormente, existen condiciones en las que un planeta puede tener una atmósfera densa y rica en dióxido de carbono (CO).2)’, añade. Un factor clave en este escenario es la liberación de compuestos de hidrocarburos, es decir, smog, en la atmósfera superior.
Se diseñaron dos programas de observación, que se complementan entre sí en el presente estudio, para medir el brillo de Trappist-1 b en diferentes longitudes de onda en el rango infrarrojo térmico (12,8 y 15 micrómetros). La primera observación fue sensible a la absorción de radiación infrarroja por parte del planeta por una capa de CO.2. Sin embargo, no se realizaron mediciones de atenuación, lo que llevó a los investigadores a concluir que el planeta no tiene atmósfera.
El equipo de investigación realizó cálculos de modelos que muestran que la neblina puede revertir el gradiente de temperatura del CO.2– Ambiente rico. En general, las capas inferiores de la superficie de la Tierra son más cálidas que las capas superiores debido a la alta presión. A medida que la neblina absorbe y calienta la luz de las estrellas, calentará las capas atmosféricas superiores, ayudada por el efecto invernadero. Como resultado, el propio dióxido de carbono emite radiación infrarroja.
Vemos que sucede algo similar en Titán, la luna de Saturno. Su capa de neblina probablemente esté formada por la radiación ultravioleta (UV) del sol emitida por gases ricos en carbono en la atmósfera. Un proceso similar puede ocurrir en Trappist-1 b debido a la emisión de una considerable radiación ultravioleta de su estrella.
Es complicado.
Incluso si los datos son consistentes con este escenario, los astrónomos todavía lo consideran menos probable que improbable. Por un lado, es más difícil, aunque no imposible, producir compuestos de hidrocarburos que formen neblina a partir de una atmósfera rica en CO.2. Sin embargo, la atmósfera de Titán se compone principalmente de metano. Por otro lado, el problema es que las estrellas enanas rojas activas, incluida Trappist-1, producen radiación y vientos que pueden destruir fácilmente las atmósferas de los planetas cercanos durante miles de millones de años.
Trappist-1 b es un claro ejemplo de lo difícil que es actualmente detectar y determinar las atmósferas de planetas rocosos, incluso para JWST. Son más delgados que los planetas gaseosos y sólo producen señales de medición débiles. Dos observaciones para estudiar Trappist-1 b, que proporcionaron valores de brillo en dos longitudes de onda, duraron aproximadamente 48 horas, lo que no fue suficiente para determinar si el planeta tenía una atmósfera No.
Eclipses y magia como herramienta
Las observaciones aprovecharon la ligera inclinación del plano del planeta hacia nuestra línea de visión hacia Trappist-1. Debido a esta orientación, siete planetas pasan frente a la estrella, ocultándola ligeramente durante cada órbita. En consecuencia, esto da como resultado información sobre la naturaleza y el medio ambiente de los planetas de varias maneras.
La llamada espectroscopia de tránsito ha demostrado ser un método fiable. Se trata de medir la atenuación de una estrella por parte de su planeta, en función de la longitud de onda. Además de la ocultación por el cuerpo planetario que lo oscurece, a partir del cual los astrónomos determinan el tamaño del planeta, los gases atmosféricos absorben la luz de las estrellas en longitudes de onda específicas. Esto les permite determinar si un planeta tiene atmósfera y de qué está compuesto. Desafortunadamente, este método tiene sus inconvenientes, especialmente para sistemas planetarios como Trappist-1. Las estrellas enanas rojas frías a menudo presentan manchas estelares masivas y fuertes explosiones, que afectan significativamente las mediciones.
Los astrónomos evitan en gran medida este problema observando el lado de un exoplaneta calentado por una estrella en luz infrarroja térmica, como en el estudio actual con Trappist-1 b. Es especialmente fácil de ver en días brillantes antes y después de que el planeta desaparezca detrás de la estrella. La radiación infrarroja que emite un planeta contiene información sobre su superficie y atmósfera. Sin embargo, estas observaciones requieren más tiempo que la espectroscopia de tránsito.
Dado el potencial para medir estos llamados eclipses secundarios, la NASA aprobó recientemente un extenso programa de observación para estudiar las atmósferas de planetas rocosos alrededor de estrellas cercanas y menos masivas. Este extraordinario programa, ‘Rocky Worlds’, incluye 500 horas de observaciones con JWST.
Certeza sobre Trappist-1 b
El equipo de investigación espera poder obtener una confirmación definitiva mediante otro tipo de observación. Registra la órbita completa del planeta alrededor de la estrella, incluidas todas las fases de la luz desde el lado oscuro de la noche, cuando pasa por delante de la estrella poco antes de que ésta se oscurezca, y luego hasta el día brillante. Este enfoque permitirá al equipo crear la llamada curva de fase que indica la variación del brillo del planeta a lo largo de su órbita. Gracias a ello, los astrónomos pueden estimar la distribución de temperaturas en la superficie del planeta.
El equipo ya realizó estas mediciones con Trappist-1 b. Al analizar cómo se distribuye el calor por el planeta, pueden inferir la presencia de una atmósfera. Esto se debe a que la atmósfera ayuda a transportar el calor del día a la noche. Si la temperatura cambia bruscamente en la transición entre los dos lados, indica ausencia de atmósfera.
