Los científicos miden la atmósfera de un planeta en otro sistema solar, a 340 años luz de distancia

Concepto artístico de un exoplaneta “Hot Jupiter”. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STScI)

Un equipo internacional de científicos, utilizando el telescopio Gemini Earth Observatory en Chile, es el primero en medir directamente la cantidad de agua y monóxido de carbono en la atmósfera de un planeta en otro sistema solar a unos 340 años luz de distancia.

El equipo está dirigido por el profesor asociado Michael Lane de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona, y los resultados se publicaron hoy (27 de octubre de 2021) en la revista. naturaleza temperamental.

Hay miles de planetas conocidos fuera de nuestro sistema solar (llamados exoplanetas). Los científicos utilizan telescopios espaciales y terrestres para examinar cómo se forman estos exoplanetas y cómo se diferencian de los planetas de nuestro sistema solar.

En este estudio, Laine y su equipo se centraron en el planeta “WASP-77Ab”, un tipo de planeta extrasolar llamado “caliente” Júpiter“Porque son como Júpiter en nuestro sistema solar, pero con una temperatura de más de 2000 grados F.

Luego se enfocaron en medir la composición de su atmósfera para determinar qué elementos estaban presentes, en comparación con la estrella que orbita.

“Dados sus tamaños y temperaturas, los Júpiter calientes son excelentes laboratorios para medir gases atmosféricos y probar nuestras teorías sobre la formación de planetas”, dijo Lane.

Si bien todavía no podemos enviar naves espaciales a planetas fuera de nuestro sistema solar, los científicos pueden estudiar la luz de los exoplanetas utilizando telescopios. Los telescopios que utilizan para observar esta luz pueden estar en el espacio, como telescopio espacial Hubble, o de la Tierra, como los telescopios del Observatorio Gemini.

Lane y su equipo han estado muy involucrados en la medición de la composición atmosférica de exoplanetas usando el Hubble, pero obtener estas mediciones ha sido difícil. No solo hay una competencia feroz por el tiempo del telescopio, los instrumentos del Hubble solo miden agua (u oxígeno) y el equipo también necesita recolectar mediciones de monóxido de carbono (o carbono).

Aquí es donde el equipo se dirigió al Telescopio Gemini Sur.

“Necesitábamos probar algo diferente para responder a nuestras preguntas”, dijo Lane. “Y nuestro análisis de las capacidades de South Gemini indicó que podríamos obtener mediciones muy precisas de la atmósfera”.

Gemini South es un telescopio de 8,1 metros de diámetro ubicado en una montaña en los Andes chilenos llamada Cerro Pachón, donde el aire muy seco y una capa de nubes insignificante lo convierten en una ubicación privilegiada para el telescopio. Es operado por NOIRLab de la National Science Foundation (Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica e Infrarroja).

Usando el Telescopio Gemini Sur, con un instrumento llamado Espectrómetro Infrarrojo de Rejilla de Inmersión (IGRINS), el equipo observó el brillo térmico del exoplaneta mientras orbitaba su estrella anfitriona. A partir de este dispositivo, recopilaron información sobre la presencia y cantidades relativas de varios gases en la atmósfera.

Al igual que los satélites meteorológicos y climáticos que se utilizan para medir la cantidad de vapor de agua y dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra, los científicos pueden utilizar espectrómetros y telescopios, como IGRINS en Gemini South, para medir las cantidades de varios gases en otros planetas.

“Tratar de averiguar la composición de las atmósferas de los planetas es como intentar resolver un crimen con una huella dactilar”, dijo Lane. “Una huella dactilar manchada no la reduce demasiado, pero una huella dactilar muy limpia y ordenada proporciona un identificador único para quien cometió el crimen”.

Mientras que el telescopio espacial Hubble proporcionó al equipo una o dos huellas dactilares misteriosas, IGRINS en Gemini South le proporcionó al equipo un conjunto completo de huellas dactilares claras como el cristal.

Usando mediciones explícitas de agua y monóxido de carbono en la atmósfera de WASP-77Ab, el equipo pudo estimar las cantidades relativas de oxígeno y carbono en la atmósfera del exoplaneta.

Al medir el desplazamiento Doppler que se muestra en la columna de la derecha de esta figura, los científicos pueden reconstruir la velocidad orbital del planeta en el tiempo hacia la Tierra o alejándose de ella. La intensidad de la señal del planeta, como se muestra en la columna del medio, a lo largo de la velocidad aparente proyectada (curva del mar discontinua) del planeta mientras orbita la estrella, contiene información sobre las cantidades de varios gases en la atmósfera. Crédito: P. Smith / M. Lines. Selkirk / ASU

“Estas cantidades estaban en línea con nuestras expectativas y son aproximadamente las mismas que las de la estrella anfitriona”, dijo Lane.

Obtener una gran cantidad de gases ultrafinos en las atmósferas de los exoplanetas no solo es una hazaña técnica importante, especialmente con un telescopio terrestre, sino que también puede ayudar a los científicos a buscar vida en otros planetas.

“Este trabajo representa una demostración de cómo medir en última instancia gases de firma biológica como el oxígeno y el metano en mundos potencialmente habitables en un futuro no muy lejano”, dijo Lane.

Lo que Line y el equipo esperan hacer a continuación es repetir este análisis para varios planetas y crear una “muestra” de mediciones atmosféricas en al menos otros 15 planetas.

“Ahora estamos en el punto en el que podemos obtener fracciones de abundancia de gas similares a las de los planetas de nuestro sistema solar. La medición de la abundancia de carbono y oxígeno (y otros elementos) en la atmósfera de una muestra más grande de exoplanetas proporciona contexto para comprender los orígenes y la evolución de nuestros gigantes gaseosos como Júpiter y SaturnoDijo Line.

También esperan ansiosos lo que pueden ofrecer los telescopios del futuro.

“Si podemos hacer esto con la tecnología actual, piense en lo que podremos hacer con los telescopios emergentes como el Telescopio Gigante de Magallanes”, dijo Lane. “Es una posibilidad real de que para fines de esta década podamos utilizar el mismo método para explorar posibles señales de vida, que también contienen carbono y oxígeno, en planetas rocosos similares a la Tierra fuera de nuestro sistema solar”.

Referencia: “C / O solar y metalicidad cuasi-solar en la atmósfera caliente de Júpiter” por Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Megan Mansfield, Eliza M. Kimton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert y Just B Wardner, 27 de octubre de 2021, naturaleza temperamental.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Además de Line, el equipo de investigación incluye a Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens y Peter Smith de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona; Matthew Bruggi y Siddharth Gandhi de Universidad de Warwick (Reino Unido); Jacob Bean y Megan Mansfield de Universidad de Chicago; Vivien Parmentier y Joost Wardenier de Universidad de Oxford (Reino Unido); Gregory Mays de la Universidad de Texas en Austin. Eliza Kempton de la Universidad de Maryland; Jonathan Fortney de la Universidad de California, Santa Cruz; Emily Rausher de la Universidad de Michigan; y Jean-Michel Desert de la Universidad de Amsterdam.