El Hubble detecta un exoplaneta con agua “brillante” en su atmósfera

Los científicos han encontrado la evidencia más fuerte hasta la fecha para una estratosfera en un planeta enorme fuera de nuestro sistema solar, con una atmósfera lo suficientemente caliente como para hervir el hierro.

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Exeter, realizó el nuevo descubrimiento observando moléculas de agua brillantes en la atmósfera del exoplaneta WASP-121b con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA.

Para estudiar la estratosfera del gigante gaseoso -una capa de atmósfera donde la temperatura aumenta con altitudes más elevadas- los científicos utilizaron la espectroscopía para analizar los cambios en el brillo del planeta a diferentes longitudes de onda de la luz.

El vapor de agua en la atmósfera del planeta, por ejemplo, se comporta de manera predecible en respuesta a diferentes longitudes de onda de luz, dependiendo de la temperatura del agua. A temperaturas más frescas, el vapor de agua en la atmósfera superior del planeta bloquea las longitudes de onda de luz específicas que se irradian desde capas más profundas hacia el espacio. Pero a temperaturas más altas, las moléculas de agua en la atmósfera superior brillan a estas longitudes de onda.

El fenómeno es similar a lo que ocurre con los fuegos artificiales, que obtienen sus colores de los productos químicos que emiten luz. Cuando las sustancias metálicas se calientan y se vaporizan, sus electrones se mueven a estados de energía más altas. Dependiendo del material, estos electrones emitirán luz en longitudes de onda específicas a medida que pierdan energía: el sodio produce amarillo-naranja y el estroncio produce rojo en este proceso, por ejemplo.

Las moléculas de agua en la atmósfera de WASP-121b también emiten radiación a medida que pierden energía, pero es en forma de luz infrarroja, que el ojo humano es incapaz de detectar.

La investigación se publica en la revista científica Nature.

“Los modelos teóricos han sugerido que las estratosferas pueden definir una clase especial de exoplanetas ultra-calientes, con implicaciones importantes para la física y la química atmosféricas”, dijo el Dr. Tom Evans, autor principal e investigador de la Universidad de Exeter. “Cuando señalamos el Hubble en WASP-121b, vimos moléculas de agua brillante, lo que implica que el planeta tiene una fuerte estratosfera”.

WASP-121b, localizado a aproximadamente 900 años luz de la Tierra, es un exoplaneta gigante de gas comúnmente conocido como un “Júpiter caliente”, aunque con una mayor masa y radio que Júpiter, haciéndolo mucho más “exótico”. El exoplaneta orbita su estrella anfitriona cada 1,3 días, y está alrededor de la distancia más cercana que podría ser antes de que la gravedad de la estrella comenzara a separarla.

Esta proximidad también significa que la parte superior de la atmósfera se calienta a una temperatura de unos 2.500 grados Celsius, la temperatura a la que el hierro existe en forma de gas en lugar de forma sólida.

En la estratosfera de la Tierra, el ozono atrapa la radiación ultravioleta del sol, lo que eleva la temperatura de esta capa de atmósfera. Otros cuerpos del sistema solar tienen estratosferas, también -el metano es responsable del calentamiento en las estratosferas de Júpiter y la luna de Saturno Titán, por ejemplo. En los planetas del sistema solar, el cambio de temperatura dentro de una estratosfera es típicamente menor de 100 grados Celsius. Sin embargo, en WASP-121b, la temperatura en la estratosfera aumenta a 1000 grados Celsius.

“Hemos medido un fuerte aumento en la temperatura de la atmósfera de la WASP-121b a mayores altitudes, pero aún no sabemos qué está causando esta dramática calefacción”, dice Nikolay Nikolov, coautor e investigador de la Universidad de Exeter. “Esperamos abordar este misterio con próximas observaciones en otras longitudes de onda”.

El óxido de vanadio y los gases de óxido de titanio son fuentes de calor candidatas, ya que absorben fuertemente la luz de las estrellas en longitudes de onda visibles, similar a como la radiación UV es absorbida por el ozono. Se espera que estos compuestos estén presentes sólo en los más calientes exoplanetas, tales como WASP-121b, ya que se requieren altas temperaturas para mantenerlos en estado gaseoso.

De hecho, el óxido de vanadio y el óxido de titanio se observan comúnmente en enanas marrones, “estrellas fallidas” que tienen algunas similitudes con los exoplanetas.

Las investigaciones anteriores que abarcan la última década han indicado una posible evidencia de estratosferas en otros exoplanetas, pero esta es la primera vez que se han detectado moléculas de agua brillante, la señal más clara aún para una estratosfera de exoplaneta.

Es uno de los primeros resultados de un nuevo programa de observación llevado a cabo por un equipo internacional de científicos, dirigido por el profesor asociado David Sing de la Universidad de Exeter y la Dra. Mercedes López-Mórales en la Smithsonian Institution. El programa ha recibido 800 horas para estudiar y comparar 20 exoplanetas diferentes, lo que representa una de las mayores asignaciones de tiempo para un solo programa en toda la historia de 27 años de Hubble.

“Esta nueva investigación es la prueba del arma de humo que los científicos han estado buscando al estudiar exoplanetas calientes. Hemos descubierto que este caliente Júpiter tiene una estratosfera, una característica común que se ve en la mayoría de nuestros planetas del sistema solar”. Dice el profesor David Sing, coautor y profesor asociado de Astrofísica en la Universidad de Exeter.

“Es un hallazgo realmente emocionante, ya que estamos viendo diferencias dramáticas de planeta a planeta, que está dando pistas valiosas para averiguar cómo se comportan los planetas bajo diferentes condiciones, y sólo estamos rascando la superficie de todos los nuevos datos del Hubble”.

El futuro Telescopio Espacial James Webb de la NASA será capaz de dar seguimiento a las atmósferas de planetas como WASP-121b con mayor sensibilidad que cualquier otro telescopio actualmente en el espacio.

“Este exoplaneta supercaliente va a ser un punto de referencia para nuestros modelos atmosféricos, y será un gran objetivo de observación que se trasladará a la era Webb”, dijo Hannah Wakeford, coautora e investigadora de la Universidad de Exeter.

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