Webb encuentra por primera vez atmósfera en un exoplaneta rocoso

El gas que se eleva desde una superficie cubierta de lava en 55 Cancri e puede alimentar una atmósfera rica en dióxido de carbono o monóxido de carbono.

Hoy en día, detectar la atmósfera de un planeta a decenas o incluso cientos de años luz de la Tierra puede no parecer gran cosa. Los científicos han encontrado evidencia de atmósferas que rodean a docenas de exoplanetas durante las últimas dos décadas. El problema es que todos estos planetas tienen atmósferas espesas dominadas por hidrógeno que son relativamente fáciles de estudiar. Las finas capas de gas que rodean algunos pequeños exoplanetas rocosos siguen siendo difíciles de alcanzar.

Los investigadores creen que finalmente pudieron vislumbrar la atmósfera rica y volátil que rodea un planeta rocoso. La luz emitida por las zonas calientes es muy radiante. exoplaneta 55 Cancri e muestra pruebas convincentes de una atmósfera, posiblemente rica en dióxido de carbono o monóxido de carbono, que fluiría de un vasto océano de lava que cubriría la superficie del planeta.

El resultado es la mejor evidencia hasta el momento de la existencia de una atmósfera en un planeta rocoso fuera de nuestro sistema solar.

El concepto de este artista muestra cómo podría verse el exoplaneta 55 Cancri e. También llamado Janssen, 55 Cancri e es la llamada súper Tierra, un planeta rocoso mucho más grande que la Tierra pero más pequeño que Neptuno, que orbita su estrella a una distancia de sólo 1,4 millones de millas (0,015 AU), completando una órbita completa. En menos de 18 horas. (Mercurio está 25 veces más lejos del Sol que su estrella, 55 Cancri e). Este sistema, que también incluye cuatro grandes planetas gigantes gaseosos, está situado a unos 41 años luz de la Tierra, en la constelación de Cáncer. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

El Telescopio Espacial Webb insinúa una posible atmósfera que rodea a un exoplaneta rocoso

Los investigadores utilizan NASA‘s Telescopio espacial James Webb Es posible que hayan detectado gases atmosféricos que rodean 55 Cancri e, un exoplaneta rocoso y caliente ubicado a 41 años luz de la Tierra. Esta es la mejor evidencia hasta ahora de que cualquier planeta rocoso fuera de nuestro sistema solar tiene atmósfera.

Renew es del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (Laboratorio de propulsión a chorro) en Pasadena, California, es el autor principal de un artículo publicado el 8 de mayo. naturaleza. «Webb traspasa los límites de la caracterización de exoplanetas a planetas rocosos», dijo Hu. «Realmente permite un nuevo tipo de ciencia».

Tierra súper caliente 55 Cancri E

55 Cancri e, también conocido como Janssen, es uno de los cinco planetas conocidos que orbitan alrededor de la estrella similar al Sol 55 Cancri, en la constelación de Cáncer. Con un diámetro de casi el doble que el de la Tierra y una densidad ligeramente mayor, el planeta está clasificado como una súper Tierra: más grande que la Tierra y más pequeño que la Tierra. NeptunoProbablemente sean similares en composición a los planetas rocosos de nuestro sistema solar.

Sin embargo, describir el 55 Cancri e como “rocoso” podría dar una impresión equivocada. El planeta orbita cerca de su estrella (aproximadamente 1,4 millones de millas, o 20/25 de la distancia entre Mercurio y el Sol), y es probable que su superficie esté fundida: un océano burbujeante de magma. Con una órbita tan estrecha, es probable que el planeta también esté bloqueado por las mareas, con su lado diurno mirando hacia la estrella en todo momento y su lado nocturno en perpetua oscuridad.

A pesar de numerosas observaciones desde que se descubrió su tránsito en 2011, la cuestión de si 55 Cancri e tiene atmósfera o incluso podría Uno de ellos ha quedado sin respuesta debido a su alta temperatura y al constante ataque de radiación estelar y vientos de su estrella.

«He estado trabajando en este planeta durante más de una década», dijo Diana Dragomir, investigadora de exoplanetas de la Universidad de Nuevo México y coautora del estudio. «Fue realmente frustrante que ninguno de los comentarios que recibimos ofreciera una solución sólida a estos misterios. ¡Me alegro de que finalmente tengamos algunas respuestas!»

A diferencia de las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos, que son relativamente fáciles de detectar ( Fue revelado por primera vez. Por la NASA telescopio espacial Hubble Durante más de dos décadas, las atmósferas más delgadas y densas que rodean a los planetas rocosos han seguido siendo difíciles de alcanzar.

Estudios anteriores sobre 55 Cancri e utilizando datos del ahora retirado Telescopio Espacial Spitzer de la NASA han sugerido la presencia de una gran atmósfera rica en volátiles (moléculas que se encuentran en forma de gas en la Tierra) como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. Pero los investigadores no pudieron descartar otra posibilidad: que el planeta esté vacío, salvo por un frágil manto de roca evaporada, rica en elementos como silicio, hierro, aluminio y calcio. «El planeta está tan caliente que parte de la roca fundida debe haberse evaporado», explicó Ho.

Esta curva de luz muestra el cambio en el brillo del sistema 55 Cancri, a medida que el planeta rocoso 55 Cancri e, el más cercano de los cinco planetas conocidos del sistema, se mueve detrás de la estrella. Este fenómeno se conoce como eclipse secundario.
Cuando el planeta está cerca de la estrella, la luz del infrarrojo medio procedente tanto de la estrella como del lado diurno del planeta llega al telescopio, lo que hace que el sistema parezca más brillante. Cuando el planeta está detrás de la estrella, la luz del planeta se bloquea y sólo la luz de la estrella llega al telescopio, lo que resulta en una disminución del brillo aparente.
Los astrónomos pueden restar el brillo de una estrella del brillo combinado de la estrella y el planeta para calcular cuánta luz infrarroja proviene del lado diurno del planeta. Esto luego se utiliza para calcular la temperatura diurna y deducir si el planeta tiene atmósfera o no.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Mida diferencias sutiles en colores infrarrojos

Para distinguir entre las dos posibilidades, el equipo utilizó la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) y MIRI (instrumento de infrarrojo medio) de Webb para medir la luz infrarroja de 4 a 12 micrones proveniente del planeta.

Aunque Webb no puede tomar una imagen directa de 55 Cancri e, puede medir cambios sutiles en la luz del sistema a medida que el planeta orbita la estrella.

Al restar el brillo durante un eclipse secundario (ver imagen de arriba), cuando el planeta está detrás de la estrella (solo luz estelar), del brillo cuando el planeta está justo al lado de la estrella (luz de la estrella y el planeta combinados), el equipo logró calcular la cantidad de diferentes longitudes de onda de los rayos de luz infrarroja provenientes del lado diurno del planeta.

Este método, conocido como espectroscopia de eclipses secundarios, es similar al utilizado por otros equipos de investigación para buscar atmósferas en otros exoplanetas rocosos, como TRAPPIST-1 b.

El espectro de emisión térmica capturado por Webb NIRCam (Cámara de infrarrojo cercano) en noviembre de 2022 y MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) en marzo de 2023, muestra el brillo (eje y) de diferentes longitudes de onda de luz infrarroja (eje x) emitida. Por el exoplaneta gigante 55 Cancri e. El espectro muestra que el planeta puede estar rodeado por una atmósfera rica en dióxido de carbono o monóxido de carbono y otros volátiles, no solo roca vaporizada.
El gráfico compara los datos recopilados por NIRCam (puntos naranjas) y MIRI (puntos morados) con dos modelos diferentes. El modelo A, en rojo, muestra cómo debería verse el espectro de emisión de 55 Cancri e si tuviera una atmósfera hecha de roca en evaporación. El modelo B, en azul, muestra cómo debería verse el espectro de emisión si el planeta tuviera una atmósfera rica en volátiles emitida por un océano de magma que tiene un contenido de volátiles similar al manto de la Tierra. Los datos de MIRI y NIRCam son consistentes con el modelo rico en volátiles.
La cantidad de luz infrarroja media emitida por el planeta (MIRI) muestra que la temperatura diurna es mucho más baja de lo que sería si no tuviera una atmósfera que distribuyera el calor del lado diurno al lado nocturno. La caída del espectro entre 4 y 5 micrones (datos NIRCam) puede explicarse por la absorción de esas longitudes de onda por las moléculas de monóxido de carbono o dióxido de carbono en la atmósfera.
Créditos de imagen: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Universidad de Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Más frío de lo esperado

El primer indicio de que 55 Cancri e podría tener una atmósfera significativa provino de mediciones de temperatura basadas en su emisión térmica (ver imagen arriba), o energía térmica emitida en forma de luz infrarroja. Si el planeta estuviera cubierto de roca oscura y fundida con un fino velo de roca vaporizada o sin atmósfera alguna, el lado diurno debería estar a unos 4.000 grados. F (~2200 grados Celsius).

“En cambio, los datos MIRI mostraron una temperatura relativamente baja de alrededor de 2.800 grados Fahrenheit. [~1540 degrees Celsius]Él dijo. «Ésta es una indicación muy fuerte de que la energía se distribuye desde el lado diurno hacia el lado nocturno, muy probablemente a través de una atmósfera rica y volátil». Si bien los flujos de lava pueden transportar algo de calor al lado nocturno, no pueden moverlo con la suficiente eficiencia como para compensar el efecto de enfriamiento.

Cuando el equipo examinó los datos de NIRCam, vio patrones consistentes con una atmósfera rica y volátil.

«Vemos evidencia de una caída en el espectro entre 4 y 5 micrones, y menos luz llega al telescopio», explicó el coautor Aaron Bello-Aroff, también del JPL de la NASA. «Esto indica la presencia de una atmósfera que contiene monóxido de carbono o dióxido de carbono, que absorbe estas longitudes de onda de luz». Un planeta que no tiene atmósfera o que tiene una atmósfera compuesta únicamente de roca vaporizada no tendría esta característica espectral específica.

«Hemos pasado los últimos 10 años modelando diferentes escenarios, tratando de imaginar cómo sería este mundo», dijo la coautora Yamila Miguel del Observatorio de Leiden y el Instituto Holandés de Investigación Espacial (SRON). “¡Finalmente obtuvimos algo de validación para nuestro invaluable trabajo!”

Océano de magma burbujeante

El equipo cree que los gases que cubren 55 Cancri e emergerán del interior, en lugar de estar presentes desde que se formó el planeta. «La atmósfera central habrá desaparecido hace mucho tiempo debido a la alta temperatura y la intensa radiación de la estrella», dijo Bello-Arov. “Esta será una atmósfera secundaria que el océano de magma repone constantemente. El magma no es sólo cristales líquidos y roca, sino que también contiene mucho gas disuelto.

Si bien 55 Cancri e es demasiado caliente para ser habitable, los investigadores creen que podría proporcionar una ventana única para estudiar las interacciones entre la atmósfera, las superficies y el interior de los planetas rocosos, y tal vez ofrecer información sobre las condiciones primitivas de la Tierra. VenusY MarteQue se cree que estuvo cubierto por océanos de magma en un pasado lejano. «En última instancia, queremos entender qué condiciones hacen posible que un planeta rocoso mantenga una atmósfera rica en gas: un ingrediente esencial para un planeta habitable», dijo Hu.

Esta investigación se llevó a cabo como parte del Programa Webb de Observadores Generales (GO) para 1952. Actualmente se están analizando observaciones adicionales del eclipse secundario de 55 Cancri e.

Referencia: “Una atmósfera secundaria en el exoplaneta rocoso 55 Cancri e” por Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jaishel Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker y Bryce Olivier Demauri, 8 de mayo de 2024. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

El Telescopio Espacial James Webb es el observatorio científico espacial más importante del mundo. Webb resuelve los misterios de nuestro sistema solar, mira más allá de los mundos distantes alrededor de otras estrellas y explora las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. WEB es un programa internacional liderado por la NASA con su socio la Agencia Espacial Europea (ESA).Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.