El telescopio James Webb detecta dióxido de carbono en la atmósfera de exoplaneta

Ilustración artística del aspecto que podría tener el exoplaneta WASP-39 b. Crédito: NASA, ESA, CSA y J. Olmsted (STScI).

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha captado la primera evidencia clara de dióxido de carbono en la atmósfera de un planeta fuera del Sistema Solar. Esta observación de un planeta gigante gaseoso que orbita una estrella parecida al Sol a 700 años luz de distancia proporciona información importante sobre su composición y formación. El hallazgo ofrece pruebas de que en el futuro James Webb podría ser capaz de detectar y medir el dióxido de carbono en la delgada atmósfera de planetas rocosos más pequeños.

WASP-39 b es un gigante de gas caliente con una masa de cerca de una cuarta parte de la masa de Júpiter (casi la misma de Saturno) y un diámetro 1,3 veces mayor que el de Júpiter. Su hinchazón extrema está relacionada en parte con su alta temperatura (alrededor de 900 grados Celsius). A diferencia de los gigantes gaseosos más fríos y compactos de nuestro Sistema Solar, WASP-39 b orbita muy cerca de su estrella –apenas a una octava parte de la distancia entre el Sol y Mercurio– y completa un circuito en poco más de cuatro días terrestres. El descubrimiento de este planeta, reportado en 2011, se hizo en base a detecciones terrestres de la atenuación sutil y periódica de la luz de su estrella anfitriona cuando el planeta transita, o pasa, por delante de la estrella.

Las observaciones anteriores de otros telescopios, incluyendo los telescopios espaciales Hubble y Spitzer de la NASA, revelaron la presencia de vapor de agua, sodio y potasio en la atmósfera de este planeta. La incomparable sensibilidad infrarroja de James Webb ha confirmado también la presencia de dióxido de carbono en el planeta.

Luz estelar filtrada

Los planetas en tránsito como WASP-39 b, cuyas órbitas observamos de perfil en lugar de verlas desde arriba, pueden proporcionar a los investigadores oportunidades ideales para sondear atmósferas planetarias.

Una serie de curvas de luz del instrumento NIRSpec muestra el cambio en el brillo de tres longitudes de onda (colores) diferentes de la luz del sistema estelar WASP-39 a lo largo del tiempo a medida que el planeta transitaba por la estrella el 10 de julio de 2022. Crédito: Ilustración: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI); datos científicos: ERS.

Durante un tránsito, una parte de la luz estelar es eclipsada completamente por el planeta (causando la atenuación general) y otra parte es transmitida a través de la atmósfera del planeta.

Debido a que diferentes gases absorben diferentes combinaciones de colores, los investigadores pueden analizar las pequeñas diferencias en el brillo de la luz que se transmite en un espectro de longitudes de onda para determinar exactamente de qué está hecha la atmósfera. Con su combinación de atmósfera inflada y tránsitos frecuentes, WASP-39 b es un objetivo ideal para la espectroscopia de transmisión.

Primera detección clara de dióxido de carbono

El equipo de investigadores utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb para sus observaciones de WASP-39 b. En el espectro resultante de la atmósfera del exoplaneta, una pequeña cuesta de entre 4,1 y 4,6 micras presenta la primera evidencia clara y detallada de dióxido de carbono detectado en un planeta fuera del Sistema Solar.

“Tan pronto como los datos aparecieron en mi pantalla, la enorme característica del dióxido de carbono me atrapó”, dijo Zafar Rustamkulov, estudiante de posgrado en la Universidad Johns Hopkins y miembro del equipo de Primeras Observaciones Científicas (ERS) de la Comunidad de Exoplanetas en Tránsito de JWST que llevó a cabo esta investigación. “Fue un momento especial: cruzamos un umbral importante en la ciencia exoplanetaria”.

Ningún observatorio ha medido nunca antes diferencias tan sutiles en el brillo de tantos colores individuales en el rango de 3 a 5,5 micras en el espectro de transmisión de un exoplaneta. El acceso a esta parte del espectro es crucial para medir la abundancia de gases como agua y metano, así como dióxido de carbono, que se cree que existen en muchos tipos diferentes de exoplanetas.

“Detectar una señal tan clara de dióxido de carbono en WASP-39 b es un buen augurio para la detección de atmósferas en planetas más pequeños y de tamaño terrestre”, dijo Natalie Batalha, de la Universidad de California en Santa Cruz, quien dirige el equipo.

El espectro de transmisión de WASP-39 b, captado por el instrumento NIRSpec el 10 de julio de 2022, revela la primera evidencia clara de dióxido de carbono en un exoplaneta. Este es también el primer espectro de transmisión detallado de un exoplaneta que haya sido captado y cubre longitudes de onda entre 3 y 5,5 micras. Crédito: Ilustración: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI); datos científicos: ERS.

Comprender la composición de la atmósfera de un planeta es importante porque nos dice algo sobre el origen del planeta y cómo evolucionó. “Las moléculas de dióxido de carbono son indicadores sensibles de la historia de la formación de los planetas”, dijo Mike Line de la Universidad Estatal de Arizona, otro miembro de este equipo de investigación. “Al medir esta característica de dióxido de carbono, podemos determinar cuánto material sólido en comparación con el material gaseoso se utilizó para formar este planeta gigante gaseoso. En la próxima década, JWST hará este tipo de medición para una variedad de planetas, proporcionando información sobre los detalles de cómo se forman los planetas y la singularidad de nuestro propio sistema solar”.

Primeras observaciones científicas

Esta observación del prisma de WASP-39 b captada por NIRSpec es solo una parte de una investigación más amplia que incluye observaciones del planeta utilizando diferentes instrumentos del telescopio James Webb, así como observaciones de otros dos planetas en tránsito. La investigación, que es parte del programa de ERS, fue diseñada para proporcionar a la comunidad de investigadores de exoplanetas datos sólidos de James Webb lo antes posible.

“El objetivo es analizar rápidamente las primeras observaciones científicas y desarrollar herramientas de código abierto para que sean empleadas por la comunidad científica”, explicó Vivien Parmentier, coinvestigadora de la Universidad de Oxford. “Esto permite contribuciones de todas partes del mundo y asegura que se obtendrá la mejor investigación científica posible de las próximas décadas de observaciones”.

Natasha Batalha, coautora del artículo desde Centro de Investigación Ames de la NASA, añade que “los principios rectores de la ciencia abierta de la NASA se centran en nuestro trabajo con las Primeras Observaciones Científicas, apoyando un proceso científico inclusivo, transparente y colaborativo”.

El artículo “Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere” ha sido aceptado para su publicación en Nature Astronomy.

Fuente: Ciencia de la NASA