ASTRONOMÍA. JWST detecta vapor de agua, dióxido de azufre y nubes de arena en la atmósfera de un exoplaneta cercano

JWST detecta vapor de agua, dióxido de azufre y nubes de arena en la atmósfera de un exoplaneta cercano, James Webb

 

Impresión artística de WASP-107b y su estrella madre. Fuente: Ilustración: Escuela de Artes LUCA, Bélgica/ Klaas Verpoest (visuales), Johan Van Looveren (tipografía). Ciencia: Achrène Dyrek (CEA y Université Paris Cité, Francia), Michiel Min (SRON, Países Bajos), Leen Decin (KU Leuven, Bélgica) / Equipo europeo MIRI EXO GTO / ESA / NASA

Un equipo de astrónomos europeos, codirigido por investigadores del Instituto de Astronomía de KU Leuven, utilizó observaciones recientes realizadas con el telescopio espacial James Webb para estudiar la atmósfera del cercano exoplaneta WASP-107b. 

16 noviembre 2023.- Al observar profundamente la esponjosa atmósfera de WASP-107b, descubrieron no sólo vapor de agua y dióxido de azufre, sino también nubes de arena de silicato. Estas partículas residen dentro de una atmósfera dinámica que exhibe un vigoroso transporte de material.

Astrónomos de todo el mundo están aprovechando las capacidades avanzadas del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) a bordo del Telescopio Espacial James Webb (JWST) para realizar observaciones innovadoras de exoplanetas: planetas que orbitan estrellas distintas a nuestro propio sol. Uno de estos mundos fascinantes es WASP-107b, un exoplaneta gaseoso único que orbita una estrella ligeramente más fría y menos masiva que nuestro sol.

La masa del planeta es similar a la de Neptuno pero su tamaño es mucho mayor que el de Neptuno, acercándose casi al tamaño de Júpiter. Esta característica hace que WASP-107b sea bastante "esponjoso" en comparación con los planetas gigantes gaseosos de nuestro sistema solar. La esponjosidad de este exoplaneta permite a los astrónomos mirar aproximadamente 50 veces más profundamente en su atmósfera en comparación con la profundidad de exploración lograda para un gigante del sistema solar como Júpiter.

WASP-107b es un exoplaneta gaseoso único que orbita una estrella ligeramente más fría y menos masiva que nuestro sol. La masa del planeta es similar a la de Neptuno pero su tamaño es mucho mayor que el de Neptuno, acercándose casi al tamaño de Júpiter. Esta característica hace que WASP-107b sea bastante "esponjoso" en comparación con los planetas gigantes gaseosos de nuestro sistema solar. La esponjosidad de este exoplaneta permite a los astrónomos mirar aproximadamente 50 veces más profundamente en su atmósfera en comparación con la profundidad de exploración lograda para un gigante del sistema solar como Júpiter. Fuente: Ilustración: Escuela de Artes LUCA, Bélgica/ Klaas Verpoest (visuales), Johan Van Looveren (tipografía). Ciencia: Achrène Dyrek (CEA y Université Paris Cité, Francia), Michiel Min (SRON, Países Bajos), Leen Decin (KU Leuven, Bélgica) / Equipo europeo MIRI EXO GTO / ESA / NASA

El equipo de astrónomos europeos aprovechó al máximo la notable esponjosidad de este exoplaneta, permitiéndoles observar profundamente su atmósfera. Esta oportunidad abrió una ventana para desentrañar la compleja composición química de su atmósfera.

La razón detrás de esto es bastante sencilla: las señales, o características espectrales, son mucho más prominentes en una atmósfera menos densa en comparación con una más compacta. Su reciente estudio, ahora publicado en Nature , revela la presencia de vapor de agua , dióxido de azufre (SO 2 ) y nubes de silicato, pero, en particular, no hay rastros del gas de efecto invernadero metano (CH 4 ).

Una atmósfera dinámica

Estas detecciones proporcionan información crucial sobre la dinámica y la química de este cautivador exoplaneta. En primer lugar, la ausencia de metano sugiere un interior potencialmente cálido, lo que ofrece una tentadora visión del movimiento de la energía térmica en la atmósfera del planeta. En segundo lugar, el descubrimiento de dióxido de azufre (conocido por el olor a cerillas quemadas) fue una gran sorpresa.

Los modelos anteriores habían predicho su ausencia, pero los nuevos modelos climáticos de la atmósfera de WASP-107b ahora muestran que la propia esponjosidad de WASP-107b se adapta a la formación de dióxido de azufre en su atmósfera. Aunque su estrella anfitriona emite una fracción relativamente pequeña de fotones de alta energía debido a su naturaleza más fría, estos fotones pueden llegar a las profundidades de la atmósfera del planeta gracias a su naturaleza esponjosa. Esto permite que se produzcan las reacciones químicas necesarias para producir dióxido de azufre.

Un espectro de transmisión del cálido exoplaneta Neptuno WASP-107b, capturado por el espectrómetro de baja resolución (LRS) del instrumento de infrarrojo medio (MIRI) a bordo del JWST, revela evidencia de nubes de vapor de agua, dióxido de azufre y silicato (arena) en la atmósfera del planeta. Fuente: Michiel Min / Equipo europeo MIRI EXO GTO / ESA / NASA

Pero eso no es todo lo que han observado. Tanto las características espectrales del dióxido de azufre como del vapor de agua están significativamente disminuidas en comparación con lo que serían en un escenario sin nubes. Las nubes a gran altitud oscurecen parcialmente el vapor de agua y el dióxido de azufre de la atmósfera.

Si bien se han inferido nubes en otros exoplanetas, este marca el primer caso en el que los astrónomos pueden identificar definitivamente la composición química de estas nubes. En este caso, las nubes están formadas por pequeñas partículas de silicato, una sustancia familiar para los humanos que se encuentra en muchas partes del mundo como constituyente principal de la arena.

A diferencia de la atmósfera terrestre, donde el agua se congela a bajas temperaturas, en los planetas gaseosos que alcanzan temperaturas de alrededor de 1.000 grados centígrados, las partículas de silicato pueden congelarse y formar nubes. Sin embargo, en el caso de WASP-107b, con una temperatura de alrededor de 500 grados Celsius en la atmósfera exterior, los modelos tradicionales predijeron que estas nubes de silicato deberían formarse más profundamente dentro de la atmósfera, donde las temperaturas son sustancialmente más altas. Además, llueven nubes de arena en lo alto de la atmósfera. ¿Cómo es posible entonces que estas nubes de arena existan a gran altura y sigan perdurando?

Al observar profundamente la esponjosa atmósfera de WASP-107b, un equipo de astrónomos europeos descubrió no sólo vapor de agua y dióxido de azufre, sino también nubes de arena de silicato. Fuentes: Ilustración: Escuela de Artes LUCA, Bélgica/ Klaas Verpoest (visuales), Johan Van Looveren (tipografía). Ciencia: Achrène Dyrek (CEA y Université Paris Cité, Francia), Michiel Min (SRON, Países Bajos), Leen Decin (KU Leuven, Bélgica) / Equipo europeo MIRI EXO GTO / ESA / NASA

Según el autor principal, el Dr. Michiel Min, "el hecho de que veamos estas nubes de arena en lo alto de la atmósfera debe significar que las gotas de lluvia de arena se evaporan en capas más profundas y muy calientes y el vapor de silicato resultante se mueve eficientemente hacia arriba, donde se vuelven a condensar para formar nubes de silicato una vez más. Esto es muy similar al ciclo del vapor de agua y las nubes en nuestra propia Tierra, pero con gotas hechas de arena".

Este ciclo continuo de sublimación y condensación a través del transporte vertical es responsable de la presencia duradera de nubes de arena en la atmósfera de WASP-107b.

Esta investigación pionera no sólo arroja luz sobre el exótico mundo de WASP-107b, sino que también amplía los límites de nuestra comprensión de las atmósferas exoplanetarias. Marca un hito importante en la exploración exoplanetaria, revelando la intrincada interacción de sustancias químicas y condiciones climáticas en estos mundos distantes.

Más información: SO2, silicate clouds, but no CH4 detected in a warm Neptune with JWST MIRI, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06849-0

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