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

Un equipo internacional de científicos, utilizando el telescopio del Observatorio Gemini de la Tierra 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 asistente Michael Line 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.

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

Para este estudio, Line y su equipo se centraron en el planeta «WASP-77Ab», un tipo de exoplaneta llamado «caliente» Júpiter”Porque son como Júpiter en nuestro sistema solar, pero con una temperatura superior a los 2000 grados Fahrenheit.

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

“Debido a su tamaño y temperaturas, los Júpiter calientes son excelentes laboratorios para medir gases atmosféricos y probar nuestras teorías sobre la formación de planetas”, dijo Line.

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

Line y su equipo han estado muy involucrados en la medición de la composición atmosférica de exoplanetas utilizando el Hubble, pero obtener estas mediciones ha sido un desafío. No solo existe una dura competencia por el tiempo del telescopio, los instrumentos del Hubble solo miden agua (u oxígeno), y el equipo también necesitaba recolectar mediciones de monóxido de carbono (o carbono).

Aquí es donde el equipo se dirigió al telescopio Gemini South.

«Necesitábamos probar algo diferente para responder a nuestras preguntas», dijo Line. «Y nuestro análisis de las capacidades de Gemini South indicó que podríamos obtener mediciones atmosféricas ultraprecisas».

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

Usando el telescopio Gemini South, 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 esta herramienta, recopilaron información sobre la presencia y cantidades relativas de diferentes gases en su atmósfera.

Al igual que los satélites meteorológicos y climáticos utilizados 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 diferentes gases en otros planetas.

«Tratar de comprender la composición de las atmósferas planetarias es como intentar resolver un crimen con huellas dactilares», dijo Line. «Una huella dactilar manchada no reduce mucho el campo, pero una huella dactilar limpia y muy agradable proporciona un identificador único para quien cometió el delito».

Mientras que el telescopio espacial Hubble proporcionó al equipo quizás una o dos huellas dactilares borrosas, IGRINS en Gemini South proporcionó al equipo un conjunto completo de huellas dactilares perfectamente claras.

Y con mediciones claras 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 ilustrado en la columna de la derecha de esta figura, los científicos pueden reconstruir la velocidad orbital de un planeta a lo largo del tiempo hacia la Tierra o alejándose de ella. La intensidad de la señal del planeta, como se muestra en la columna central, a lo largo de la velocidad aparente predicha (curva del mar discontinua) del planeta mientras orbita la estrella, contiene información sobre las cantidades de diferentes gases en la atmósfera. Crédito: P. Smith / M. Líneas. Selkirk / ASU

«Estas cantidades estuvieron en línea con nuestras expectativas y son aproximadamente las mismas que las de la estrella invitada», dijo Line.

Obtener abundancias de gas ultraprecisas en atmósferas de exoplanetas no solo es un logro técnico 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 pionera de cómo mediremos en última instancia los gases de firma biológica como el oxígeno y el metano en mundos potencialmente habitables en un futuro no muy lejano», dijo Line.

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

“Ahora estamos en el punto en el que podemos lograr precisiones de abundancia de gas comparables a las de esos planetas de nuestro sistema solar. Medir la abundancia de carbono y oxígeno (y otros elementos) en las atmósferas de una muestra más grande de exoplanetas proporciona un contexto muy necesario para comprender los orígenes y la evolución de nuestros gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno«dijo la línea.

También están ansiosos por saber qué podrán ofrecer los telescopios del futuro.

«Si podemos hacer esto con la tecnología actual, piense en lo que seremos capaces de hacer con los telescopios emergentes como el Telescopio Gigante de Magallanes», dijo Line. «Es una posibilidad real que podamos utilizar este mismo método a finales de esta década para oler posibles rastros de vida, que también contienen carbono y oxígeno, en planetas rocosos similares a la Tierra más allá de nuestro sistema solar».

Referencia: «A solar C / O y metalicidad sub-solar en una atmósfera caliente de Júpiter» por Michael R. Line, Matteo Brogi, Jacob L. Bean, Siddharth Gandhi, Joseph Zalesky, Vivien Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Mace, Megan Mansfield, Eliza M.-R. Kempton, Jonathan J. Fortney, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience, Emily Rauscher, Jean-Michel Désert y Joost P. Wardenier, 27 de octubre de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Además de Line, el equipo de investigación incluye a Joseph Zalesky, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience y Peter Smith de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU; Matteo Brogi y Siddharth Gandhi del Universidad de Warwick (REINO UNIDO); Jacob Bean y Megan Mansfield del Universidad de Chicago; Vivien Parmentier y Joost Wardenier del Universidad de Oxford (REINO UNIDO); Gregory Mace de la Universidad de Texas en Austin; Eliza Kempton de la Universidad de Maryland; Jonathan Fortney de la Universidad de California, Santa Cruz; Emily Rauscher de la Universidad de Michigan; y Jean-Michel Désert de la Universidad de Amsterdam.