Miden la temperatura en un planeta a 40 años-luz

Un equipo internacional de investigadores ha utilizado el telescopio espacial James Webb para medir la temperatura del exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b.

La medición se basa en la emisión térmica del planeta, esto es, la energía térmica emitida en forma de luz infrarroja detectada por el instrumento MIRI del Webb. El resultado indica que el lado diurno del planeta tiene una temperatura de unos 230 grados centígrados y sugiere que no tiene una atmósfera significativa.

La investigación la ha llevado a cabo el equipo de Thomas Greene, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA.

Esta es la primera detección de cualquier forma de luz emitida por un exoplaneta (planeta de fuera de nuestro sistema solar) tan pequeño y tan frío. El resultado es un paso importante para determinar si los planetas que se mueven en órbitas alrededor de pequeñas estrellas activas como TRAPPIST-1 pueden mantener atmósferas capaces de sustentar la vida en la superficie. También es un buen augurio de la capacidad del Webb y su instrumento MIRI para caracterizar exoplanetas del tamaño de la Tierra con temperaturas templadas.

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) es fruto de una colaboración internacional encabezada por la NASA, la ESA y la CSA, respectivamente las agencias espaciales estadounidense, europea y canadiense.

A principios de 2017, unos astrónomos informaron acerca del descubrimiento de siete planetas rocosos que están en órbita alrededor de una estrella enana roja ultrafría (o enana M) situada a 40 años-luz de distancia de la Tierra. Lo que es notable acerca de los planetas es su similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos de nuestro sistema solar. Aunque todos ellos orbitan mucho más cerca de su estrella de lo que cualquiera de nuestros planetas orbita alrededor del Sol (todos podrían caber cómodamente dentro de la órbita de Mercurio), reciben de su pequeña estrella cantidades comparables de energía.

TRAPPIST-1 b, el planeta más interno, tiene una distancia orbital de cerca de una centésima parte de la de la Tierra y recibe aproximadamente cuatro veces la cantidad de energía que la Tierra obtiene del Sol. Aunque no se encuentra dentro de la zona habitable del sistema, las observaciones del planeta pueden proporcionar información importante sobre sus planetas hermanos, así como de otros sistemas de enanas M.

Esta recreación artística muestra cómo podría verse el exoplaneta rocoso caliente TRAPPIST-1 b. Esta ilustración se basa en nuevos datos recopilados por el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb, así como en observaciones anteriores de otros telescopios terrestres y espaciales. Webb no ha captado ninguna imagen de este planeta. (Ilustración: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI))

“Hay diez veces más de estas estrellas en la Vía Láctea que estrellas como el Sol, y tienen el doble de probabilidades de tener planetas rocosos que estrellas como el Sol”, explicó Greene. “Pero también son muy activas: son muy brillantes cuando son jóvenes y emiten fulguraciones y rayos X que pueden destruir una atmósfera”.

La coautora Elsa Ducrot, de la Comisión Francesa de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA), quien formó parte del equipo que llevó a cabo estudios anteriores del sistema TRAPPIST-1, agregó: “Es más fácil caracterizar planetas terrestres que se mueven en órbita alrededor de estrellas más pequeñas y frías. Si queremos entender la habitabilidad que hay en torno a las estrellas tipo M, el sistema TRAPPIST-1 es un gran laboratorio. Estos son los mejores objetivos que tenemos para observar las atmósferas de los planetas rocosos”.

Las observaciones anteriores de TRAPPIST-1 b con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer no encontraron evidencia de una atmósfera inflada, pero no pudieron descartar una atmósfera densa.

Una forma de reducir la incertidumbre es medir la temperatura del planeta. Este planeta tiene su rotación sincronizada con su movimiento alrededor de su estrella, de tal modo que un lado del planeta mira siempre hacia la estrella y en él siempre es de día, mientras que el otro lado permanece en una oscuridad permanente, tal como explica Pierre-Olivier Lagage de CEA, quien es coautor del estudio. En un planeta así, poseer una atmósfera permite redistribuir el calor, con el resultado de que el lado diurno será más fresco que si no hubiera atmósfera.

El equipo utilizó una técnica llamada fotometría de eclipse secundario, en la que MIRI midió el cambio en el brillo del sistema a medida que el planeta se desplazaba detrás de la estrella. Aunque TRAPPIST-1 b no es lo suficientemente caliente como para emitir su propia luz visible, tiene un resplandor infrarrojo. Al restar el brillo propio de la estrella (durante el eclipse secundario) del brillo combinado de la estrella y el planeta, los investigadores pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta.

La detección de Webb de un eclipse secundario es en sí misma un hito importante. La estrella observada es más de 1.000 veces más brillante que el planeta, y el cambio en el brillo es inferior al 0,1%.

“También había cierto temor de que nos perdiéramos el eclipse. Todos los planetas tiran unos de otros, por lo que las órbitas no son perfectas”, dijo Taylor Bell, el investigador postdoctoral en el Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía que analizó los datos. “Pero fue simplemente increíble: la hora del eclipse que vimos en los datos coincidió con la hora prevista con una diferencia de menos de un par de minutos”.

El equipo analizó los datos de cinco observaciones separadas de eclipses secundarios. “Comparamos los resultados con modelos informáticos que mostraban cuál debería ser la temperatura en diferentes escenarios”, explicó Ducrot. “Los resultados son casi perfectamente consistentes con un cuerpo negro hecho de roca desnuda y sin atmósfera que haga circular el calor. Tampoco vimos ninguna señal de que la luz fuera absorbida por el dióxido de carbono, lo que sería evidente en estas mediciones”.

Actualmente están en curso observaciones adicionales de eclipses secundarios de TRAPPIST-1 b y, ahora que sabe lo buenos que pueden ser los datos, el equipo espera captar más adelante una curva de fase completa que muestre el cambio en el brillo a lo largo de toda la órbita. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del lado diurno al lado nocturno y confirmar si el planeta tiene atmósfera o no.

“Había un objetivo que soñaba con tener”, dijo Lagage, quien trabajó en el desarrollo del instrumento MIRI durante más de dos décadas. “Y era este. Es la primera vez que podemos detectar la emisión de un planeta rocoso y templado. Este es un paso realmente importante en la historia del descubrimiento de exoplanetas”. (Fuente: NASA)