Astrónomos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han obtenido la visión más clara hasta la fecha del lado siempre oscuro de un exoplaneta por la rotación sincronizada con su estrella.
Sus observaciones, combinadas con las mediciones del lado diurno permanente del planeta, proporcionan la primera visión detallada de la atmósfera global de un exoplaneta.
"Ahora vamos más allá de tomar instantáneas aisladas de regiones específicas de las atmósferas de los exoplanetas, para estudiarlos como los sistemas 3D que realmente son", afirma en un comunicado Thomas Mikal-Evans, que dirigió el estudio como postdoc en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.
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El planeta en el que se centra el nuevo estudio, publicado en la revista 'Nature Astronomy', es WASP-121b, un enorme gigante gaseoso de casi el doble de tamaño que Júpiter. Se trata de un Júpiter ultra caliente descubierto en 2015 orbitando una estrella a unos 850 años luz de la Tierra.
WASP-121b tiene una de las órbitas más cortas detectadas hasta la fecha, ya que gira alrededor de su estrella en apenas 30 horas. También tiene una rotación sincrónica, de tal manera que su lado "diurno" orientado hacia la estrella está permanentemente iluminado, mientras que su lado "nocturno" está girado para siempre hacia el espacio.
"Los Júpiter calientes son famosos por tener lados diurnos muy brillantes, pero el lado nocturno es una bestia diferente. El lado nocturno de WASP-121b es unas 10 veces más tenue que su lado diurno", explica Tansu Daylan, postdoctorante de TESS en el MIT y coautor del estudio.
Los astrónomos ya habían detectado vapor de agua y estudiado cómo cambia la temperatura atmosférica con la altitud en el lado diurno del planeta, pero el nuevo estudio ha captado ahora una imagen mucho más detallada.
Los investigadores, entre los que se encuentran también científicos de Universidad Johns Hopkins y Caltech, entre otras instituciones, pudieron trazar un mapa de los drásticos cambios de temperatura entre el lado diurno y el nocturno, y ver cómo estas temperaturas cambian con la altitud. También rastrearon la presencia de agua a través de la atmósfera para mostrar, por primera vez, cómo circula el agua entre el lado diurno y el nocturno de un planeta.
Mientras que en la Tierra los ciclos del agua consisten en la evaporación, la condensación en nubes y la lluvia, en WASP-121b el ciclo del agua es mucho más intenso: En el lado diurno, los átomos que componen el agua se desgarran a temperaturas superiores a los 3 mil Kelvin.
Estos átomos se desplazan hacia el lado nocturno, donde las temperaturas más frías permiten que los átomos de hidrógeno y oxígeno se recombinen en moléculas de agua, que luego vuelven al lado diurno, donde el ciclo comienza de nuevo.
El equipo calcula que el ciclo del agua en el planeta se mantiene gracias a los vientos que azotan los átomos alrededor del planeta a velocidades de hasta 5 kilómetros por segundo.
También parece que el agua no es la única que circula por el planeta. Los astrónomos descubrieron que el lado nocturno es lo suficientemente frío como para albergar nubes exóticas de hierro y corindón, un mineral que compone rubíes y zafiros.
Estas nubes, al igual que el vapor de agua, pueden desplazarse hacia el lado diurno, donde las altas temperaturas vaporizan los metales en forma de gas. En el camino, podría producirse una lluvia exótica, como las gemas líquidas de las nubes de corindón.
"Con esta observación, estamos obteniendo realmente una visión global de la meteorología de un exoplaneta", afirma Mikal-Evans.
El equipo observó a WASP-121b utilizando una cámara espectroscópica a bordo del telescopio espacial Hubble de la NASA. El instrumento observa la luz de un planeta y su estrella, y descompone esa luz en sus longitudes de onda constitutivas, cuyas intensidades dan a los astrónomos pistas sobre la temperatura y la composición de una atmósfera.
A través de los estudios espectroscópicos, los científicos han observado los detalles atmosféricos del lado diurno de muchos exoplanetas. Pero hacer lo mismo con el lado nocturno es mucho más complicado, ya que requiere observar pequeños cambios en todo el espectro del planeta mientras gira alrededor de su estrella.
Para el nuevo estudio, el equipo observó a WASP-121b a lo largo de dos órbitas completas: una en 2018 y otra en 2019. Para ambas observaciones, los investigadores buscaron en los datos de luz una línea específica, o característica espectral, que indicaba la presencia de vapor de agua.
"Vimos esta característica del agua y mapeamos cómo cambiaba en diferentes partes de la órbita del planeta --explica Mikal-Evans--. Eso codifica información sobre lo que hace la temperatura de la atmósfera del planeta en función de la altitud".
Los cambios en el agua ayudaron al equipo a trazar el perfil de temperatura del lado diurno y nocturno. Descubrieron que el lado diurno oscila entre los 2.500 Kelvin en su capa más profunda observable y los 3 mil 500 Kelvin en sus capas superiores.
El lado nocturno oscilaba entre 1.800 Kelvin en su capa más profunda y mil 500 Kelvin en su atmósfera superior. Curiosamente, los perfiles de temperatura parecían invertirse, aumentando con la altitud en el lado diurno -una "inversión térmica", en términos meteorológicos- y descendiendo con la altitud en el lado nocturno.
Los investigadores pasaron los mapas de temperatura por varios modelos para identificar las sustancias químicas que probablemente existan en la atmósfera del planeta, dadas las altitudes y temperaturas específicas. Esta modelización reveló la posibilidad de que existan nubes de metales, como el hierro, el corindón y el titanio en el lado nocturno.
A partir de su cartografía de temperaturas, el equipo también observó que la región más caliente del planeta está desplazada hacia el este de la región "subestelar", directamente debajo de la estrella. Dedujeron que este desplazamiento se debe a los vientos extremos.
"El gas se calienta en el punto subestelar, pero se desplaza hacia el este antes de que pueda irradiarse al espacio", explica Mikal-Evans.
Por el tamaño del desplazamiento, el equipo estima que la velocidad del viento es de unos 5 kilómetros por segundo. "Estos vientos son mucho más rápidos que nuestra corriente en chorro, y probablemente pueden mover las nubes a través de todo el planeta en unas 20 horas", subraya Daylan, que dirigió trabajos anteriores en el planeta utilizando la misión TESS de la NASA, dirigida por el MIT.
Los astrónomos han reservado tiempo en el telescopio espacial James Webb para observar WASP-121b a finales de este año, y esperan cartografiar los cambios no sólo del vapor de agua, sino también del monóxido de carbono, que los científicos sospechan que debería residir en la atmósfera.
"Sería la primera vez que pudiéramos medir una molécula de carbono en la atmósfera de este planeta --adelanta Mikal-Evans--. La cantidad de carbono y oxígeno en la atmósfera proporciona pistas sobre dónde se forman este tipo de planetas".
grb