Astrónomos crean el primer mapa 3D de un exoplaneta y revelan su atmósfera

Un equipo de astrónomos, co-liderado por expertos de la Universidad de Cornell, generó el primer mapa tridimensional de un exoplaneta que orbita otra estrella, revelando una atmósfera con zonas de temperatura distintas. Este estudio se centró en WASP-18b, un gigante gaseoso conocido como un "Júpiter ultra-caliente", ubicado a 400 años luz de la Tierra.

El mapa de temperatura de WASP-18b fue creado utilizando una técnica llamada mapeo de eclipses en 3D, o mapeo espectroscópico de eclipses. Este esfuerzo se basa en un modelo bidimensional que el mismo equipo publicó en 2023, que demostró el potencial del mapeo de eclipses para aprovechar las observaciones altamente sensibles del Telescopio Espacial James Webb (JWST).

Los investigadores afirmaron que para muchos tipos similares de exoplanetas observables por el JWST, ahora pueden comenzar a mapear variaciones atmosféricas, al igual que los telescopios terrestres observaron hace tiempo la Gran Mancha Roja de Júpiter y su estructura de nubes en bandas.

"El mapeo de eclipses nos permite imaginar exoplanetas que no podemos ver directamente, porque sus estrellas anfitrionas son demasiado brillantes", explicó Ryan Challener, un asociado postdoctoral en el Departamento de Astronomía.

Challener es el primer autor del artículo titulado "Estructura térmica horizontal y vertical de exoplanetas a partir de un mapa espectroscópico de eclipses del JWST", publicado en Nature Astronomy.

Más de 30 co-autores participaron en el estudio, incluyendo a Megan Wiener Mansfield, profesora asistente de astronomía en la Universidad de Maryland, quien co-lideró el proyecto, y Jake Turner, un asociado de investigación en el Centro de Astrofísica y Ciencias Planetarias de Cornell.

Detectar exoplanetas es complicado, ya que típicamente emiten menos del 1% del brillo de su estrella anfitriona. El mapeo de eclipses requiere medir pequeñas fracciones de ese total mientras un planeta orbita detrás de su estrella, ocultando y revelando partes de él en el proceso. Los científicos pueden vincular cambios minúsculos en la luz a regiones específicas para producir un mapa de brillo que, cuando se realiza en múltiples colores, puede convertirse en temperaturas en tres dimensiones: latitud, longitud y altitud.

"Se busca cambios en pequeñas porciones del planeta a medida que desaparecen y reaparecen a la vista", comentó Challener. "Es extraordinariamente desafiante".

WASP-18b, que tiene aproximadamente la masa de 10 Júpiteres, orbita en solo 23 horas y tiene temperaturas que alcanzan los 5,000 grados Fahrenheit, lo que proporciona una señal relativamente fuerte, convirtiéndolo en un buen caso de prueba para la nueva técnica de mapeo.

Mientras que el mapa bidimensional anterior utilizó una única longitud de onda de luz, el mapa tridimensional reanalizó las mismas observaciones del instrumento NIRISS del JWST en muchas longitudes de onda.

Challener explicó que cada color correspondía a diferentes temperaturas y altitudes dentro de la atmósfera gaseosa de WASP-18b, que podían ensamblarse para crear el mapa tridimensional.

La nueva vista confirmó regiones espectroscópicamente distintas, que difieren en temperatura y posiblemente en composición química, en el "lado diurno" visible de WASP-18b, que siempre está orientado hacia la estrella debido a su órbita bloqueada por marea.

El planeta presenta un "punto caliente" circular donde la luz estelar más directa incide, y donde aparentemente los vientos no son lo suficientemente fuertes como para redistribuir el calor.

Rodeando el punto caliente hay un "anillo" más frío cerca de los bordes visibles exteriores del planeta. Notablemente, Challener indicó que las mediciones mostraron niveles más bajos de vapor de agua en el punto caliente que en el promedio de WASP-18b.

"Creemos que eso es evidencia de que el planeta está tan caliente en esta región que está comenzando a descomponer el agua", dijo Challener. "Eso había sido predicho por la teoría, pero es realmente emocionante verlo con observaciones reales".

Challener mencionó que observaciones adicionales del JWST podrían ayudar a mejorar la resolución espacial del primer mapa de eclipses en 3D. Ya la técnica puede ayudar a iluminar los mapas de temperatura de otros Júpiteres calientes, que constituyen cientos de los más de 6,000 exoplanetas confirmados hasta la fecha.

"Esta nueva técnica será aplicable a muchos otros planetas que podemos observar con el Telescopio Espacial James Webb", concluyó Challener. "Podemos comenzar a entender los exoplanetas en 3D como una población, lo cual es muy emocionante".