El telescopio espacial James Webb cartografiará la atmósfera de los exoplanetas

Los exoplanetas, planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas del Sol, se encuentran a distancias muy lejanas de la Tierra. Por ejemplo, el exoplaneta más cercano a nosotros, Próxima Centauri b, está a 4,2 años luz, es decir, a 265.000 veces la distancia entre la Tierra y el Sol.

Ilustración de un "super Neptuno", TOI-674 b, con una atmósfera que, según un estudio reciente, incluye vapor de agua. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech

A simple vista, los planetas del sistema solar aparecen como puntos brillantes. Sin embargo, utilizando un telescopio, estos puntos destacan sobre las estrellas y revelan estructuras como la Gran Mancha Roja de Júpiter, los anillos de Saturno o las capas de hielo de Marte.

Aunque se espera la presencia de estos fenómenos en los exoplanetas, su distancia a la Tierra nos impide resolver directamente sus superficies. Sin embargo, hay formas de conocer mejor la estructura de sus atmósferas y cartografiarlas.

Soy estudiante de doctorado en astrofísica en la Universidad de Montreal. Mi trabajo está relacionado con la caracterización de las atmósferas de los exoplanetas. Más concretamente, mi investigación se centra en el desarrollo de herramientas para cartografiar la atmósfera de los exoplanetas utilizando las observaciones del telescopio espacial James Webb.

Se espera que el telescopio, lanzado el 25 de diciembre de 2021, revolucione el campo de la ciencia exoplanetaria.

 

Detección y caracterización de exoplanetas

Aparte de algunos casos especiales en los que la luz de un planeta puede observarse directamente, la mayoría de los exoplanetas se detectan mediante métodos indirectos. Un método indirecto consiste en observar el efecto de la presencia del planeta en la luz emitida por su estrella.

El método del tránsito es el que ha dado lugar al mayor número de detecciones de exoplanetas. El tránsito se produce cuando, desde nuestra perspectiva, un exoplaneta pasa por delante de su estrella anfitriona. Durante el tránsito, la luz de la estrella disminuye a medida que la superficie de la estrella queda parcialmente oscurecida por el planeta.

La luz se divide en un espectro de longitudes de onda que corresponden a diferentes colores. Cuando se observa un tránsito en varias longitudes de onda, es posible medir la composición atmosférica del exoplaneta. Por ejemplo, las moléculas de agua absorben fuertemente la luz en las longitudes de onda infrarrojas, lo que hace que el planeta parezca más grande, ya que su atmósfera bloquea una fracción mayor de la luz de su estrella. De forma similar, también es posible medir la temperatura de la atmósfera y detectar la presencia de nubes.

Además, un planeta en tránsito también puede pasar por detrás de su estrella. Este fenómeno, en el que sólo se observa la luz de la estrella, se denomina eclipse secundario. Al observarlo, es posible aislar la luz procedente únicamente del planeta y obtener así información adicional sobre su atmósfera.

El método del tránsito es más sensible a la presencia de nubes, mientras que el método del eclipse secundario proporciona más información sobre la temperatura de la atmósfera.

 

 

Métodos de cartografía


Aunque es imposible observar directamente la superficie de un exoplaneta, es posible medir la variación espacial de la atmósfera mediante dos métodos: el análisis de la curva de fase y la cartografía de eclipses secundarios.

Esquema de un planeta alrededor de su estrella y la luz proveniente del sistema según su posición. (ESA)

La curva de fase es la variación de la luz del sistema estrella-planeta durante un periodo de revolución. Como el planeta gira sobre sí mismo durante su órbita, diferentes secciones de su atmósfera son sucesivamente visibles para nosotros. A partir de esta señal, es posible cartografiar la intensidad de la luz emitida por el planeta en longitud. En el caso de los Júpiter calientes, cuya cara diurna es generalmente más caliente, el máximo de luz del planeta se encuentra cerca del eclipse secundario. Del mismo modo, el mínimo de la curva se encuentra cerca del tránsito, ya que entonces es el lado nocturno el que se observa.

En la cartografía del eclipse secundario, se resuelve el lado diurno del exoplaneta. A medida que el planeta se desplaza por detrás de su estrella desde nuestro punto de vista, se ocultan secciones del mismo, lo que nos permite aislar la luz emitida por una sección determinada de su atmósfera. Midiendo la cantidad de luz emitida por cada sección individual, es posible entonces trazar un mapa del lado diurno de la atmósfera en función de la longitud y latitud.


La llegada del telescopio espacial James Webb


Hasta la fecha, el análisis de las curvas de fase se ha aplicado a varios planetas mediante telescopios espaciales, como los telescopios espaciales Hubble, Kepler y TESS. La cartografía de eclipses secundarios sólo se ha aplicado a un exoplaneta, el Júpiter caliente HD189733 b, a partir de observaciones con el telescopio espacial Spitzer. Sin embargo, estas observaciones suelen realizarse en una sola longitud de onda y no proporcionan una imagen completa de los procesos atmosféricos que se dan en estos exoplanetas.

Con un espejo de 6,5 metros, en comparación con el espejo de 2,4 metros del Hubble, el telescopio Webb proporcionará observaciones de una precisión sin precedentes en una amplia gama de longitudes de onda. Cuatro instrumentos, incluido el NIRISS (Near-infrared Imager and Slitless Spectrograph) de Canadá, observarán en el rango infrarrojo y caracterizarán las atmósferas de multitud de exoplanetas.

Con el telescopio Webb, será posible aplicar los métodos de cartografía de que disponemos para medir la variación tridimensional de las atmósferas de los exoplanetas. Estas mediciones nos permitirán profundizar en nuestro conocimiento de los procesos atmosféricos.

A medida que la tecnología y los instrumentos sigan avanzando, tal vez sea posible incluso cartografiar un exoplaneta similar a la Tierra en el futuro.