El enigma de TRAPPIST-1 b

A principios de 2017, unos astrónomos anunciaron el descubrimiento de siete planetas rocosos, en órbita alrededor de una estrella enana roja ultrafría (o enana M) situada a unos 40 años-luz de distancia de la Tierra. Lo que más llamó de inmediato la atención sobre esos planetas es su similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos de nuestro sistema solar.

Aunque todos esos planetas orbitan mucho más cerca de su estrella de lo que cualquiera de los planetas de nuestro sistema solar orbita alrededor del Sol (todos podrían caber holgadamente dentro de la órbita de Mercurio), reciben de su pequeña estrella cantidades comparables de energía, debido a la menor potencia de ese sol.

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.

Después de varios años de investigaciones, hay una pregunta importante que todavía carece de una respuesta definitiva: ¿Tiene atmósfera TRAPPIST-1 b?

Un nuevo estudio ha tenido por objeto intentar aclarar esta cuestión. El estudio es obra de un equipo integrado, entre otros, por Elsa Ducrot, del Observatorio de París y de la Universidad de París-Saclay, en Francia, y David Barrado, del Centro de Astrobiología (CAB), entidad mixta del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), en España todas estas instituciones.

Recreación artística de TRAPPIST-1 b. (Ilustración: NASA / ESA / CSA / J. Olmsted (STScI))

El Telescopio Espacial James Webb (JWST), de la NASA, la ESA y la CSA, respectivamente las agencias espaciales estadounidense, europea y canadiense, es especialmente eficiente para realizar estudios espectroscópicos detallados de pequeños planetas rocosos que orbitan estrellas enanas frías. En este contexto, TRAPPIST-1, con sus siete planetas, tres de los cuales están situados dentro de la zona orbital habitable en torno a la estrella (la zona en la cual los planetas allí situados podrían tener agua líquida en su superficie), representa una oportunidad única. En particular, el planeta más interno, TRAPPIST-1 b, ha sido ampliamente observado en el infrarrojo medio por el JWST.

Un equipo internacional de investigación ha publicado ahora un análisis exhaustivo de todos los datos del infrarrojo medio recogidos hasta ahora sobre TRAPPIST-1 b, con el objetivo de determinar si este planeta tiene atmósfera. "Los planetas que orbitan estrellas enanas frías, de tipo espectral M, ofrecen nuestra mejor oportunidad para estudiar por primera vez las atmósferas de planetas rocosos templados, aquellos que reciben cantidades de flujo similares a las de Mercurio, Venus, la Tierra y Marte", explica Elsa Ducrot. "Los planetas TRAPPIST-1 constituyen un laboratorio ideal para esta investigación pionera".

Una observación previa con el JWST midió la emisión infrarroja de TRAPPIST-1 b a 15 micras y sugirió que era improbable la existencia de una atmósfera de gran tamaño y rica en dióxido de carbono (Greene et al., 2023). Esta conclusión se basaba en el hecho de que el dióxido de carbono (CO2) absorbe fuertemente la radiación en esta longitud de onda, lo que habría reducido significativamente el flujo observado si tal atmósfera estuviera presente. El estudio propuso que la medición era más coherente con un escenario de "roca desnuda oscura": un planeta sin atmósfera y una superficie oscura que absorbe casi toda la luz estelar entrante. Sin embargo, una sola medición en una longitud de onda no basta para descartar todos los posibles escenarios atmosféricos.

En este nuevo estudio, los autores ampliaron este trabajo midiendo el flujo del planeta en otra longitud de onda, 12,8 micras, mucho más allá de lo que percibe el ojo humano. Realizaron un análisis global de todos los datos disponibles del JWST y compararon estas observaciones con modelos de superficie y atmosféricos para identificar el escenario que mejor se ajusta a los datos.

El método más intuitivo utilizado por los astrónomos para saber si un exoplaneta (planeta de fuera de nuestro sistema solar) tiene atmósfera consiste en observar su paso por delante de su estrella anfitriona (bloqueando parcialmente la luz de la estrella durante unos minutos en varias longitudes de onda para detectar qué partes de la luz se transmiten o no, indicativo de la presencia de moléculas. Sin embargo, surgen problemas de contaminación estelar en el caso de los planetas alrededor de estrellas muy frías. Esto se debe a que estas estrellas no son homogéneas, sino que poseen puntos calientes y fríos en su superficie. Estos puntos tienen sus propias características espectrales que pueden contaminar el espectro de transmisión de los planetas en tránsito e imitar las características atmosféricas. Este fenómeno se ha observado en múltiples ocasiones con el JWST al observar los tránsitos de planetas alrededor de estrellas frías.

Una solución para superar esta contaminación estelar y seguir obteniendo información sobre la presencia (o no) de una atmósfera es medir directamente el calor que llega al planeta observando una caída de flujo cuando el planeta pasa por detrás de la estrella (un suceso llamado ocultación). Observando la estrella justo antes y durante la ocultación podemos deducir la cantidad de luz infrarroja procedente del planeta.

"Durante los dos primeros años de vida del JWST, la emisión se ha convertido rápidamente en el método preferido para estudiar exoplanetas rocosos en torno a enanas M", explica Pierre-Olivier Lagage, coautor del estudio y jefe del Departamento de Astrofísica del CEA (Commissariat aux Énergies Atomiques) de París (Francia). "En el caso de los planetas de TRAPPIST-1, los primeros datos proceden de las mediciones de las emisiones, ya que separar las señales atmosféricas de las estelares en tránsito sigue siendo un reto". Como reflejo de este creciente interés, el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) de Estados Unidos aprobó recientemente un programa de 500 horas de Tiempo Discrecional del Director (DDT) llamado "Rocky Worlds" ("Mundos Rocosos") para investigar las atmósferas de exoplanetas terrestres alrededor de estrellas enanas M cercanas utilizando exactamente el mismo enfoque que los autores, mediante observaciones de ocultación, pero solo a 15 micras.

En el escenario de "superficie oscura desnuda" propuesto por Greene et al. (2023), la temperatura esperada a 12,8 micras era de unos 227 grados centígrados. Sin embargo, la medición real mostró una temperatura inferior, de 150 grados centígrados. Para explicar esta discrepancia, los autores del estudio exploraron varios modelos de superficie y atmosféricos. Descubrieron que una superficie desnuda de rocas ultramáficas (rocas volcánicas ricas en minerales) podría coincidir con las observaciones. Esto se debe a que las rocas ultramáficas emiten menos radiación térmica a 12,8 micras en comparación con una superficie oscura genérica.

Los investigadores también descubrieron que una atmósfera con mucho CO2 y brumas podría explicar las observaciones. Las brumas son masas de pequeñas partículas o gotitas suspendidas en la atmósfera de un planeta, a menudo creadas por reacciones químicas, actividad volcánica o luz solar. Estas partículas pueden dispersar y absorber la luz, afectando así al aspecto de la atmósfera y a su temperatura. Por ejemplo, se encuentran brumas en la atmósfera de Titán, una famosa luna de Saturno.

Es sorprendente que una atmósfera rica en CO2 y brumosa coincida con los datos, porque se pensaba que el CO2 no era coherente con la elevada emisión observada a 15 micras. Sin embargo, las brumas pueden cambiar las cosas. Reflejan mucha luz y pueden hacer que la atmósfera superior se caliente más que las capas inferiores, creando una inversión térmica como la estratosfera terrestre. Esto hace que el CO2 emita radiación en lugar de absorberla, lo que conduce a un mayor flujo a 15 micras en comparación con 12,8 micras, un resultado inesperado en comparación con cómo se comporta el CO2 en la Tierra o Venus.

"Estas inversiones térmicas son bastante comunes en las atmósferas de los cuerpos de nuestro sistema solar, siendo quizá el ejemplo más similar la brumosa atmósfera de Titán, luna de Saturno. Sin embargo, se espera que la química de la atmósfera de TRAPPIST-1 b sea muy diferente a la de Titán o a la de cualquiera de los cuerpos rocosos de nuestro sistema solar, y resulta fascinante pensar que podríamos estar ante un tipo de atmósfera que nunca antes habíamos visto", explica Michiel Min, del Instituto de Investigación Espacial SRON de los Países Bajos.

Los autores del nuevo estudio señalan, sin embargo, que este modelo atmosférico, aunque concuerda con los datos, sigue siendo menos probable que la hipótesis de la roca desnuda. Su complejidad y los interrogantes sobre la formación de bruma y la estabilidad climática a largo plazo en TRAPPIST-1 b lo convierten en un ajuste difícil. En el futuro será necesario llevar a cabo investigaciones, que incluyan modelos 3D avanzados, para explorar estas cuestiones.

En términos más generales, el equipo subraya la dificultad de determinar definitivamente la superficie o la composición atmosférica de un planeta utilizando únicamente mediciones de filtros de banda ancha, aunque señala dos hipótesis convincentes que se explorarán más a fondo con las próximas observaciones de la curva de fase de TRAPPIST-1 b, que es la variación en el brillo de un exoplaneta a medida que orbita su estrella, causada por cambios en la parte iluminada visible desde la Tierra. Proporciona información sobre la atmósfera del planeta, las propiedades de su superficie y la distribución de su temperatura.

¿Y ahora qué?

Aunque ambas hipótesis siguen siendo viables, los autores del estudio explican que las recientes observaciones de la curva de fase de TRAPPIST-1 b (que rastrean el flujo del planeta a lo largo de su órbita) podrían ayudar a resolver el misterio. Analizando la eficacia con la que el calor se redistribuye por el planeta, los astrónomos pueden deducir si existe una atmósfera. Si existe una atmósfera, el calor debería distribuirse del lado diurno al nocturno del planeta; sin atmósfera, la redistribución del calor sería mínima. Michaël Gillon y Elsa Ducrot dirigen esta próxima investigación para averiguar más cosas sobre la atmósfera de TRAPPIST-1 b.

David Barrado, investigador del Centro de Astrobiología y coautor de este estudio, resalta que: “El JWST, y en concreto el instrumento MIRI, en cuyo desarrollo el CAB y el INTA han invertido un esfuerzo considerable, se ha convertido muy rápidamente en la herramienta definitiva para caracterizar los exoplanetas con un nivel de detalle sorprendente. Estas capacidades se verán muy pronto complementadas con nuevos satélites en órbita, como es el caso de PLATO, en el que España también ha invertido una cantidad de recursos muy considerables. Sin duda, el futuro seguirá deparándonos muchas sorpresas”.

El estudio se titula “Combined analysis of the 12.8 and 15 μm JWST/MIRI eclipse observations of TRAPPIST-1 b”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Astronomy. (Fuente: CAB / INTA / CSIC / NCYT de Amazings)