Un exoplaneta gigante a 855 años luz de distancia es tan extremo que tiene nubes de metales vaporizados y lluvias de rubíes y zafiros líquidos.

Representación artística de WASP-121 b. Crédito: Patricia Klein/MPIA.

Esa es la conclusión a la que han llegado los astrónomos después de sondear su atmósfera: el análisis más detallado hasta la fecha, que revela por primera vez las condiciones y la dinámica del lado nocturno permanente del exoplaneta.

«A pesar del descubrimiento de miles de exoplanetas, solo hemos podido estudiar las atmósferas de una pequeña fracción debido a la naturaleza desafiante de las observaciones», dice el astrónomo Thomas Mikal-Evans del Instituto Max Planck de Astronomía en Alemania. «Ahora vamos más allá de tomar instantáneas aisladas de regiones específicas de atmósferas de exoplanetas, para estudiarlas como los sistemas 3D que realmente son».

El exoplaneta en cuestión es uno de los más famosos y mejor estudiados que hemos visto hasta la fecha. Se llama WASP-121 b, descubierto por primera vez en 2015, un gigante gaseoso de aproximadamente 1,18 veces la masa y 1,81 veces el tamaño de Júpiter, en una órbita cercana a su estrella de solo 1,27 días. Dos años después de su descubrimiento, WASP-121 b se convirtió en el primer exoplaneta en cuya estratosfera se había encontrado agua.

Sin embargo, es extremadamente improbable que WASP-121 b pueda ser habitable. En una órbita tan cercana, hace mucho calor, con temperaturas que oscilan entre 1.500 y 3.000 Kelvin (1.227 a 2.727 grados Celsius o 2.240 a 4.940 grados Fahrenheit).

El tamaño y la proximidad de WASP-121 b a su estrella anfitriona, WASP-121, lo colocan firmemente en la categoría de Júpiter calientes —exoplanetas gigantes gaseosos en órbitas de menos de 10 días con sus estrellas anfitrionas—. De los casi 5.000 exoplanetas confirmados hasta la fecha, más de 300 pertenecen a esta categoría extrema, pero se ha hecho referencia a WASP-121 b como un «prototipo» de Júpiter ultracaliente.

Debido a que está en una órbita tan cercana, WASP-121 b también está bloqueado por marea con su estrella, lo que ocurre cuando un cuerpo en órbita gira a la misma velocidad que orbita. Eso significa que el exoplaneta siempre tiene un lado mirando hacia su estrella —en luz diurna abrasadora permanente—, mientras que el otro lado siempre está mirando hacia afuera —en oscuridad permanente—. Sondeos anteriores de la atmósfera de WASP 121 b encontraron vapores de metales pesados en la atmósfera de su lado diurno.

Su lado nocturno es un poco más difícil de sondear, porque es alrededor de 10 veces más oscuro que el lado diurno. Para obtener información más detallada sobre todo el exoplaneta, Mikal-Evans y su equipo utilizaron el telescopio espacial Hubble para observar dos órbitas completas de WASP-121 b, fusionando datos del lado diurno y nocturno para ver cómo funciona la atmósfera globalmente.

Este espectro de luz cambiante y detallado les permitió observar y reconstruir el ciclo completo del agua de un exoplaneta por primera vez.

Esta imagen muestra los espectros de emisión térmica de los hemisferios del lado diurno (a) y del lado nocturno (b) del exoplaneta WASP-121 b. Los puntos negros indican la fuerza de la emisión térmica del planeta en varias longitudes de onda en el rango espectral del infrarrojo cercano. Las barras verticales representan las incertidumbres de estas medidas.

«Vimos esta característica del agua y mapeamos cómo cambió en diferentes partes de la órbita del planeta», explica Mikal-Evans. «Eso codifica información sobre la temperatura de la atmósfera del planeta en función de la altitud».

Aquí en la Tierra, el ciclo del agua implica transiciones de fase a medida que el agua se transforma en vapor, líquido y sólido (hielo). En WASP-121 b, incluso en el lado nocturno, las temperaturas son demasiado altas para las fases sólida o líquida del agua. En cambio, en el lado diurno, donde las temperaturas superan los 3000 Kelvin, la pérdida de energía de las moléculas de agua hace que brillen en longitudes de onda infrarrojas. La temperatura puede hacer que incluso se descompongan, dividiéndose en hidrógeno y oxígeno.

El lado nocturno es mucho más frío, aunque sigue siendo increíblemente caliente para los estándares de la Tierra, con una temperatura tan baja como 1.500 Kelvin. Esta diferencia de temperatura extrema entre los hemisferios crea una diferencia de presión permanente que genera vientos extremos del oeste que azotan el exoplaneta, arrastrando con ellos las moléculas de agua y los átomos.

Esta imagen ilustra cómo una estrella ilumina y calienta el hemisferio diurno de un planeta en órbita bloqueado por mareas. De manera similar a como vemos a Venus en el sistema solar, dicho planeta muestra diferentes fracciones de sus lados diurno y nocturno durante una órbita (fases). Al observar WASP-121 b, los astrónomos han monitoreado la señal planetaria en función del grado de iluminación. El espectro del hemisferio del lado diurno del planeta se obtuvo justo antes de que desapareciera detrás de la estrella. De manera similar, el espectro del lado nocturno corresponde a una fase orbital justo antes de pasar frente a la estrella. Crédito: ESA.

«Estos vientos son mucho más rápidos que nuestra corriente en chorro y probablemente puedan mover las nubes por todo el planeta en unas 20 horas», señala el astrofísico Tansu Daylan del MIT.

Cuando estos vientos alcanzan el lado nocturno de WASP-121 b, las temperaturas son lo suficientemente bajas como para devolver el agua a un estado de vapor, antes de que sea transportada nuevamente al lado diurno.

Pero el agua no se condensaría en nubes. En cambio, la investigación del equipo muestra que las temperaturas del lado nocturno son lo suficientemente bajas como para que se puedan formar nubes a partir de metales detectados previamente en la atmósfera de WASP-121 b. Estos incluyen vanadio, hierro, cromo, calcio, sodio, magnesio y níquel; pero, curiosamente, no hay aluminio ni titanio.

El equipo cree que estos elementos podrían haberse condensado y hundido más profundamente en la atmósfera de WASP 181 b, donde no podemos detectarlos. Allí, el aluminio puede combinarse con el oxígeno para formar el mineral corindón —una forma cristalina de óxido de aluminio—. Aquí en la Tierra, cuando se mezcla con trazas de otros metales, como vanadio, hierro, cromo o titanio, forma rubíes y zafiros.

Eso significa que podría estar lloviendo gemas preciosas en WASP-181 b. Aunque también podría estar lloviendo gemas preciosas sobre Neptuno y Urano; en cualquier caso, no tenemos ninguna esperanza de cosecharlas, pero WASP-181 b nos muestra qué fascinante variedad puede existir en los diferentes tipos de mundos que hay allí fuera.

El equipo ya ha reservado tiempo en el recién lanzado telescopio espacial James Webb para realizar más observaciones de WASP-181 b. Esperan encontrar monóxido de carbono, en un intento por aprender más sobre cómo se forman los Júpiter calientes. Creemos que no pueden nacer cerca de sus estrellas —de acuerdo con nuestros modelos actuales de formación planetaria, la gravedad, la radiación y los intensos vientos estelares deberían evitar que el gas se aglutine—. Las observaciones de Webb podrían ayudar a resolver este misterio.

La investigación del equipo ha sido publicada en Nature Astronomy.

Fuente: MPIA/SciAl. Edición: MP.