El James Webb buscará nubes de gemas vaporizadas en exoplanetas

 

Los astrónomos esperarán cielos nublados a medida que el Telescopio espacial James Webb (JWST o Webb) dirige su atención a las atmósferas exoplanetarias cargadas de roca vaporizada y cristales como el corindón y la perovskita, que forman gemas en la Tierra.

Júpiter calientes, que son gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de sus estrellas, se calientan tanto que los elementos rocosos, minerales y metales pueden existir como vapor en sus atmósferas, chamuscados por temperaturas de hasta 3600 grados Fahrenheit (2000 grados Celsius).

“En la Tierra, muchos de estos minerales son joyas”, dijo en un comunicado Tiffany Kataria, científica exoplanetaria del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. declaración. “Un geólogo los estudiaría como rocas en la Tierra, pero pueden formar nubes en exoplanetas. Eso es bastante salvaje”.

Dichos minerales han sido detectados en las atmósferas de exoplanetas antes de. En 2017, los astrónomos que utilizaron el Telescopio muy grande (VLT) en el Observatorio Europeo Austral en Chile detectó la firma de óxido de titanio en la atmósfera de un Júpiter caliente llamado Avispa-19b. Tres años más tarde, el VLT observó vapor de hierro en el lado diurno del caliente Júpiter. Avispa-76b.

Muchos Júpiter calientes están bloqueados por mareas, lo que significa que siempre muestran la misma cara a su estrella, lo que hace que sus lados diurnos se vuelvan increíblemente calientes. En el caso de WASP-76b, el lado diurno alcanza unos abrasadores 4000 grados F (2200 grados C). El lado nocturno del planeta tiene ‘solo’ 2700 grados F (1500 grados C), pero eso es lo suficientemente frío como para que el hierro se condense y se precipite como una lluvia de metal fundido.

Previamente, estos elementos y minerales han sido detectados como una presencia difusa en atmósferas exoplanetarias. Ahora, la visión de alta resolución de JWST podrá distinguir directamente estos minerales como nubes, midiendo espectroscópicamente su composición.

“Las nubes nos dicen mucho sobre la química en la atmósfera”, dijo Kataria. “Entonces se convierte en una cuestión de cómo se formaron las nubes y la formación y evolución del sistema en su conjunto”.

Diferentes tipos de exoplanetas podrían tener atmósferas muy diferentes. Mientras que Júpiter, lejos del sol, tiene una atmósfera mezclada con nubes de amoníaco, un Júpiter caliente podría tener nubes hechas de cristales vaporizados. Los mini-Neptunos acuosos podrían contener sales que dispersan la luz de tal manera que sus atmósferas se verían de color verde azulado, mientras que las atmósferas de las súper-Tierras podrían ser densas y vaporosas. (Crédito de la imagen: NASA/JPL–Caltech/Lizbeth B. De La Torre)

Por ejemplo, en WASP-19b, el óxido de titanio absorbe calor, provocando una inversión de temperatura por la cual la atmósfera superior del planeta es más caliente que la atmósfera inferior, donde normalmente se esperaría lo contrario.

JWST ya ha observado atmósferas extraterrestres, detectando nubes de agua en la atmósfera del exoplaneta Avispa-96b, donde los científicos pensaban anteriormente que no había nubes. Durante su primer año de observaciones, JWST también está investigando una multitud de otras atmósferas de exoplanetas.

La propia Kataria participa en una serie de proyectos, incluida la asociación con Thomas Mikal-Evans del MIT para utilizar el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) de JWST para caracterizar la atmósfera del Júpiter ultracaliente. Avispa-121bque está a 850 años luz de la Tierra y que fue el primer exoplaneta que se descubrió que poseía un estratosfera acuosa.

Otro de los proyectos de Kataria con JWST es observar el caliente Júpiter HD 80606b, que se encuentra a 290 años luz de la Tierra y se encuentra en una órbita muy excéntrica que gira alrededor de su estrella, acercándola a 2,8 millones de millas (4,5 millones de kilómetros) y llevándolo hasta 81 millas (131 millones de km). Como resultado, HD 80606b experimenta un “calentamiento instantáneo” cuando su temperatura aumenta de 930 grados F (500 grados C) a 2200 grados F (1200 grados C) en cuestión de horas a medida que se acerca a su estrella. El efecto sobre el clima del planeta es asombroso, con modelos de computadora que predicen tormentas violentas y vientos que se desatan a 15 veces la velocidad del sonido; Kataria espera que JWST pueda observar estos eventos.

Finalmente, Kataria codirige un proyecto junto con Brian Kilpatrick del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore para crear ‘mapas de eclipses’ en 3D del exoplaneta HD 189733b con el Instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de JWST. Los mapas de eclipses se hacen cuando un planeta se mueve detrás de su estrella. Al sustraer la tenue firma de la luz del planeta de la luz de la estrella a medida que el planeta se desplaza hacia el eclipse, los científicos pueden aislar la luz del planeta y mapear la temperatura de su atmósfera. Kataria y Kilpatrick esperan que la técnica les permita determinar el modelo de circulación más preciso hasta ahora para la atmósfera de un exoplaneta.

Este exoplaneta, que se encuentra a 64,5 años luz de la Tierra, fue descubierto en 2005 y desde entonces se ha convertido en uno de los Júpiter calientes mejor estudiados. Varios otros proyectos también observarán HD 189733b con JWST, incluido un esfuerzo para realizar un estudio profundo de la composición molecular de la atmósfera del planeta y determinar la composición de las nubes presentes, así como un esfuerzo para buscar aerosoles de minerales vaporizados que forman nubes en la atmósfera de HD 189733b.

Las atmósferas de exoplanetas rocosos más pequeños también serán objeto de escrutinio por parte del JWST. Investigadores medirán la composición de la atmósfera en 55 cancri e, que es una súper-Tierra con ocho veces la masa de nuestro planeta; Los científicos también esperan determinar si hace suficiente calor como para que llueva lava. Y los siete mundos del TRAPENISTA-1 El sistema también estará bajo escrutinio, con JWST inspeccionando cada planeta en el sistema en busca de una atmósfera.

Los astrónomos prestarán especial atención a TRAPPIST-1e, que es el más Tierra-como planeta en el barrio. Si es habitable, entonces se pueden encontrar pruebas de ello en su atmósfera, incluso en sus nubes.

“Las nubes son una característica importante en la Tierra para regular la temperatura”, dijo Kataria. “Son una consideración importante para el clima de la Tierra. Es lógico pensar que las nubes también podrían ser un componente vital en la atmósfera de un exoplaneta habitable. Cuanto más comprendamos cómo se forman las nubes en general, como lo han hecho en la Tierra y otros sistemas solares planetas, más entendemos cómo evolucionaron las nubes en ambientes más exóticos”.

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