Webb detecta dióxido de carbono en la atmósfera de un exoplaneta

El telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA ha capturado 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 similar al Sol a 700 años luz de distancia proporciona información importante sobre la composición y formación del planeta. El hallazgo, aceptado para su publicación en Nature, ofrece evidencia de que en el futuro Webb podrá detectar y medir el dióxido de carbono en las atmósferas más delgadas de los planetas rocosos más pequeños.

WASP-39 b es un gigante de gas caliente con una masa de aproximadamente un cuarto de la de Júpiter (casi la misma que la de Saturno) y un diámetro 1,3 veces mayor que el de Júpiter. Su extrema hinchazón está relacionada en parte con su alta temperatura (alrededor de 1600 grados Fahrenheit o 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, solo alrededor de un octavo de la distancia entre el Sol y Mercurio, completando un circuito en poco más de cuatro días terrestres. El descubrimiento del planeta, informado en 2011, se realizó en base a detecciones en tierra de la atenuación sutil y periódica de la luz de su estrella anfitriona a medida que el planeta transita o pasa frente a la estrella.

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

Luz estelar filtrada

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

Durante un tránsito, parte de la luz de las estrellas es eclipsada por el planeta por completo —lo que provoca la atenuación general— y parte se transmite a través de la atmósfera del planeta.

Una serie de curvas de luz del espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (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: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI).

Debido a que diferentes gases absorben diferentes combinaciones de colores, los investigadores pueden analizar pequeñas diferencias en el brillo de la luz transmitida a lo largo de un espectro de longitudes de onda para determinar exactamente de qué está hecha una 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 investigación utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (NIRSpec) para sus observaciones de WASP-39b. En el espectro resultante de la atmósfera del exoplaneta, una pequeña colina entre 4,1 y 4,6 micrones presenta la primera evidencia clara y detallada de dióxido de carbono jamás detectada en un planeta fuera del sistema solar.

«Tan pronto como aparecieron los datos en mi pantalla, me atrapó la enorme función de dióxido de carbono», dijo Zafar Rustamkulov, estudiante de posgrado de la Universidad Johns Hopkins y miembro del equipo científico de Early Release Science de la comunidad de exoplanetas en tránsito de JWST, que llevó a cabo esta investigación. «Fue un momento especial, cruzar un umbral importante en las ciencias de los exoplanetas».

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

Un espectro de transmisión del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b capturado por el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (NIRSpec) el 10 de julio de 2022 revela la primera evidencia clara de dióxido de carbono en un planeta fuera del sistema solar. Este es también el primer espectro detallado de transmisión de exoplanetas jamás capturado que cubre longitudes de onda entre 3 y 5,5 micrones. Crédito: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI).

«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 del tamaño de la Tierra», añadió Natalie Batalha de la Universidad de California en Santa Cruz, quien lidera el equipo.

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 rastreadores sensibles de la historia de la formación de planetas», explicó 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 versus cuánto material gaseoso se usó para formar este planeta gigante gaseoso. En la próxima década, JWST realizará esta medición para una variedad de planetas, brindando información sobre los detalles de cómo se forman los planetas y la singularidad de nuestro propio sistema solar».

Ciencia de liberación temprana

Esta observación con prisma NIRSpec de WASP-39 b es solo una parte de una investigación más amplia que incluye observaciones del planeta utilizando múltiples instrumentos Webb, así como observaciones de otros dos planetas en tránsito. La investigación, que forma parte del programa Early Release Science, se diseñó para proporcionar a la comunidad de investigación de exoplanetas datos sólidos de Webb lo antes posible.

«El objetivo es analizar las observaciones de Early Release Science rápidamente y desarrollar herramientas de código abierto para que las use la comunidad científica», señaló Vivien Parmentier, coinvestigadora de la Universidad de Oxford. «Esto permite contribuciones de todo el mundo y garantiza que la mejor ciencia posible surja de las próximas décadas de observaciones».

Fuente: NASA. Edición: MP.