Webb detecta posible atmósfera alrededor de un exoplaneta rocoso
Esta es la mejor evidencia hasta la fecha de la existencia de una atmósfera en un planeta rocoso fuera de nuestro sistema solar.
Este concepto artístico muestra cómo podría lucir el exoplaneta 55 Cancri e. Crédito: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI).
El telescopio espacial James Webb podría haber detectado gases atmosféricos rodeando a 55 Cancri e, un exoplaneta rocoso a 41 años luz de la Tierra. Su nombre se debe a que orbita —junto con otros cuatro planetas conocidos— una estrella similar al Sol en la constelación de Cáncer. En cuanto a su tamaño, está clasificado como una «supertierra» (casi el doble del de la Tierra).
Sin embargo, describir a 55 Cancri e como rocoso podría crear una imagen engañosa. Su órbita extremadamente cercana a su estrella (a solo 2.25 millones de kilómetros, o una veinticincoava parte de la distancia entre Mercurio y el Sol) sugiere que su superficie probablemente sea un océano de magma hirviente. Además, atrapado en una órbita tan ajustada, es probable que el planeta esté bloqueado por marea, con un lado siempre diurno y otro en oscuridad perpetua.
A pesar de las numerosas observaciones desde su descubrimiento en 2011, la pregunta de si este mundo tiene atmósfera, o siquiera podría tenerla dada su alta temperatura y el constante bombardeo de radiación y viento estelar, ha permanecido sin respuesta.
A diferencia de las atmósferas de los gigantes gaseosos, relativamente fáciles de detectar —la primera fue observada por el telescopio espacial Hubble hace más de dos décadas—, las atmósferas más delgadas y densas que rodean a planetas rocosos han sido esquivas.
Estudios previos de 55 Cancri e utilizando datos del telescopio espacial Spitzer —ahora retirado— sugerían la presencia de una atmósfera sustancial rica en volátiles —moléculas que se encuentran en forma gaseosa en la Tierra— como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. Pero los investigadores no podían descartar otra posibilidad: que el planeta estuviera desnudo, salvo por una tenue capa de roca vaporizada rica en elementos como silicio, hierro, aluminio y calcio.
«El planeta está tan caliente que parte de la roca fundida debería evaporarse», explicó Reynu Hu del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA y autor principal del estudio publicado hoy en Nature.
Midiendo variaciones sutiles para revelar la verdad
Para distinguir entre las dos posibilidades, el equipo de Hu utilizó las herramientas NIRCam (cámara cercana al infrarrojo) y MIRI (instrumento infrarrojo medio) del Webb para medir la luz infrarroja de 4 a 12 micrones proveniente del planeta.
Si bien Webb no puede capturar una imagen directa de 55 Cancri e, puede medir cambios sutiles en la luz de todo el sistema a medida que el planeta orbita la estrella.
Esta curva de luz muestra el cambio en el brillo del sistema 55 Cancri a medida que el planeta rocoso 55 Cancri e, el más cercano de los cinco planetas conocidos en el sistema, se mueve detrás de la estrella. Este fenómeno se conoce como un eclipse secundario. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), A. Bello-Arufe (JPL).
Al restar el brillo durante el eclipse secundario —cuando el planeta está detrás de la estrella (solo luz estelar)— del brillo cuando el planeta está justo al lado de la estrella (luz de la estrella y del planeta combinadas), el equipo pudo calcular la cantidad de luz infrarroja de varias longitudes de onda proveniente del lado diurno del planeta. Este método, conocido como espectroscopia de eclipse secundario, es similar al utilizado por otros equipos de investigación para buscar atmósferas en otros exoplanetas rocosos, como TRAPPIST-1 b.
Más frío de lo esperado: un indicio revelador
La primera indicación de que 55 Cancri e podría tener una atmósfera sustancial provino de mediciones de temperatura basadas en su emisión térmica —la energía calorífica emitida en forma de luz infrarroja—. Si el planeta está cubierto de roca fundida oscura con un velo delgado de roca vaporizada, o no tiene atmósfera en absoluto, se esperaría que el lado diurno alcance alrededor de 2200 grados Celsius.
«En cambio, los datos de MIRI mostraron una temperatura relativamente baja de alrededor de 1540 grados Celsius», dijo Hu. «Este es un indicio muy fuerte de que la energía se está distribuyendo desde el lado diurno hacia el lado nocturno, muy probablemente debido a una atmósfera rica en volátiles».
Un espectro de emisión térmica capturado por la NIRCam en noviembre de 2022 y el MIRI en marzo de 2023, muestra el brillo (eje y) de diferentes longitudes de onda de luz infrarroja (eje x) emitida por el exoplaneta 55 Cancri e. El espectro muestra que el planeta puede estar rodeado por una atmósfera rica en dióxido de carbono o monóxido de carbono y otros volátiles, no solo roca vaporizada. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), R. Hu (JPL), A. Bello-Arufe (JPL), M. Zhang (University of Chicago), M. Zilinskas (SRON Netherlands Institute for Space Research).
Si bien las corrientes de lava pueden transportar algo de calor hacia el lado nocturno, no pueden moverlo lo suficientemente eficientemente como para explicar el efecto de enfriamiento.
«Observamos evidencia de una disminución en el espectro entre 4 y 5 micrones; menos de esta luz está llegando al telescopio», explicó el coautor Aaron Bello-Arufe, también del JPL. «Esto sugiere la presencia de una atmósfera que contiene monóxido de carbono o dióxido de carbono, ambos de los cuales absorben estas longitudes de onda de luz».
Un planeta sin atmósfera o solo roca vaporizada en una atmósfera no tendría esta característica espectral específica.
«Estas son noticias emocionantes», dijo la coautora Yamila Miguel del Observatorio de Leiden y el Instituto Neerlandés de Investigación Espacial (SRON). «Hemos pasado los últimos diez años modelando diferentes escenarios, tratando de imaginar cómo podría ser este mundo. Finalmente, obtener alguna confirmación de nuestro trabajo no tiene precio».
Océano de magma burbujeante
El equipo cree que los gases que envuelven a 55 Cancri e estarían burbujeando desde el interior, en lugar de estar presentes desde la formación del planeta.
«La atmósfera primaria habría desaparecido hace mucho tiempo debido a la alta temperatura y la intensa radiación de la estrella», detalló Bello-Arufe. «Esta sería una atmósfera secundaria que se repone continuamente por el océano de magma. El magma no solo son cristales y roca líquida, también contiene una gran cantidad de gas disuelto».
Es muy probable que cualquier atmósfera que rodee al planeta sea más compleja y variable como resultado de las interacciones con el océano de magma. Además del monóxido de carbono o dióxido de carbono, podría haber gases como nitrógeno, vapor de agua, dióxido de azufre, algo de roca vaporizada e incluso nubes de corta vida formadas por diminutas gotas de lava condensadas del aire.
Aunque 55 Cancri e es demasiado caliente para ser habitable, los investigadores creen que podría proporcionar una ventana única para estudiar las interacciones entre las atmósferas, superficies e interiores de los planetas rocosos, y quizás proporcionar información sobre la Tierra temprana, Venus y Marte, que se cree que estuvieron cubiertos por océanos de magma en el pasado.
«En última instancia, queremos entender qué condiciones hacen posible que un planeta rocoso mantenga una atmósfera rica en gases, un ingrediente clave para un planeta habitable», concluyó Hu.
En el futuro, el equipo espera capturar una curva de fase completa con Webb para mapear las diferencias de temperatura de un lado del planeta al otro, y así obtener una mejor comprensión del clima, la meteorología y las condiciones atmosféricas más detalladas del planeta.
Fuente: ESA/Webb. Edición: MP.
