El Telescopio Webb descubre una atmósfera "imposible" en una supertierra antigua

Un equipo de astrónomos de la Institución Carnegie para la Ciencia reveló el descubrimiento más claro hasta la fecha de una atmósfera en un planeta rocoso fuera de nuestro Sistema Solar. Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los investigadores identificaron signos de gas en un objetivo inusual: TOI-561 b, una supertierra extremadamente caliente que probablemente tiene su superficie cubierta de roca fundida. Los hallazgos fueron publicados en The Astrophysical Journal Letters.

TOI-561 b tiene aproximadamente el doble de la masa de la Tierra, pero difiere drásticamente en casi todos los aspectos. Su órbita es muy cercana a su estrella, a una distancia apenas una cuadragésima parte de la que existe entre Mercurio y el Sol. A pesar de que su estrella es ligeramente más pequeña y fría que nuestro Sol, su órbita apretada permite que el planeta complete un año en solo 10.56 horas. Un lado del planeta está permanentemente expuesto a la luz solar, lo que lo mantiene en un estado de luz constante.

La autora del artículo y becaria postdoctoral de Carnegie Science, Nicole Wallack, explicó: "Basado en lo que sabemos sobre otros sistemas, los astrónomos habrían predicho que un planeta como este es demasiado pequeño y caliente para retener su propia atmósfera durante mucho tiempo después de su formación. Sin embargo, nuestras observaciones sugieren que está rodeado por una capa de gas relativamente densa, desafiando la sabiduría convencional sobre planetas de período ultra corto".

En nuestro Sistema Solar, los planetas que son pequeños y se calientan intensamente tienden a perder sus envolturas de gas originales en las primeras etapas de su historia. Sin embargo, TOI-561 b orbita una estrella mucho más antigua que el Sol, y a pesar de sus duras condiciones, parece haber mantenido su atmósfera.

Pistas de baja densidad apuntan a una composición inusual

La posible presencia de una atmósfera podría ayudar a explicar otro enigma: la menor densidad del planeta de lo esperado. Johanna Teske, astrónoma de Carnegie Science y autora principal del estudio, comentó: "No es lo que llamamos un super-puff, o un planeta 'de algodón de azúcar', pero es menos denso de lo que se esperaría si tuviera una composición similar a la de la Tierra".

Antes de analizar los nuevos datos, el equipo consideró si la estructura del planeta podría explicar esto. Una idea era que TOI-561 b podría tener un núcleo de hierro más pequeño y un manto hecho de roca más ligera en comparación con la Tierra. Teske añadió que esta idea se ajusta a los orígenes del planeta: "TOI-561 b es distinto entre los planetas de período ultra corto en que orbita una estrella muy antigua, dos veces más antigua que el Sol, y pobre en hierro en una región de la Vía Láctea conocida como el disco grueso. Debe haberse formado en un entorno químico muy diferente al de los planetas de nuestro propio Sistema Solar".

Esto sugiere que el planeta podría asemejarse a mundos que se formaron cuando el universo era mucho más joven. Sin embargo, la composición por sí sola no explica completamente las observaciones.

Datos de temperatura del JWST revelan una atmósfera oculta

El equipo de investigación también propuso que una atmósfera densa podría hacer que el planeta parezca más grande y, por lo tanto, menos denso. Para investigar esto, utilizaron el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) del JWST para medir la temperatura del lado iluminado del planeta observando su brillo en luz infrarroja cercana. Este método rastrea cómo cambia la luz del sistema cuando el planeta se mueve detrás de su estrella, una técnica también utilizada para estudiar planetas en el sistema TRAPPIST-1.

Si TOI-561 b no tuviera atmósfera, su temperatura en el lado iluminado debería alcanzar casi 4,900 grados Fahrenheit (2,700 grados Celsius). Sin embargo, las mediciones mostraron una temperatura más baja de aproximadamente 3,200 grados Fahrenheit (1,800 grados Celsius). Aunque sigue siendo extremadamente caliente, esta diferencia sugiere fuertemente que el calor se redistribuye a través del planeta.

Vientos, nubes y una atmósfera rica en volátiles

Para explicar la temperatura más baja, los científicos exploraron varias posibilidades. Un océano de superficie fundido podría mover algo de calor, pero sin una atmósfera, el lado oscuro probablemente permanecería sólido, limitando la transferencia de calor. También podría existir una delgada capa de roca vaporizada, aunque no proporcionaría suficiente enfriamiento por sí sola.

La coautora Anjali Piette, de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, un ex becario postdoctoral de Carnegie Science, afirmó: "Realmente necesitamos una atmósfera densa y rica en volátiles para explicar todas las observaciones. Vientos fuertes enfriarían el lado iluminado al transportar calor hacia el lado oscuro. Gases como el vapor de agua absorberían algunas longitudes de onda de luz infrarroja cercana emitidas por la superficie antes de que lleguen a la parte superior de la atmósfera. (El planeta se vería más frío porque el telescopio detecta menos luz). También es posible que haya nubes de silicatos brillantes que enfríen la atmósfera al reflejar la luz estelar".

Aunque la evidencia apunta fuertemente a una atmósfera, plantea una gran pregunta: ¿cómo puede un planeta expuesto a una radiación tan intensa retener gas? Es probable que parte del material esté escapando al espacio, pero quizás no tan rápido como se esperaba.

Una "bola de lava húmeda" con una atmósfera reciclante

Una explicación es un equilibrio entre el interior fundido del planeta y su atmósfera. Tim Lichtenberg, de la Universidad de Groningen en los Países Bajos, quien también forma parte del equipo del proyecto de investigación Atmospheric Empirical Theoretical and Experimental Research (AEThER), comentó: "Pensamos que hay un equilibrio entre el océano de magma y la atmósfera. Al mismo tiempo que los gases emergen del planeta para alimentar la atmósfera, el océano de magma los succiona de nuevo hacia el interior". Este planeta debe ser mucho más rico en volátiles que la Tierra para explicar las observaciones. Es realmente como una bola de lava húmeda.

El descubrimiento plantea tantas preguntas como respuestas. Teske enfatizó: "Lo que realmente emociona es que este nuevo conjunto de datos está abriendo aún más preguntas de las que responde".

Las observaciones del JWST abren nuevas interrogantes sobre los exoplanetas

Estos resultados provienen del Programa de Observadores Generales 3860 del JWST, que monitoreó el sistema durante más de 37 horas mientras el planeta completaba casi cuatro órbitas. Los investigadores ahora analizan el conjunto de datos completo para mapear patrones de temperatura en todo el planeta y comprender mejor su composición atmosférica.

El trabajo continúa una larga tradición de participación de Carnegie Science con el JWST, que se remonta al desarrollo temprano del telescopio y se extiende a través de múltiples ciclos de observación. Desde que el JWST comenzó sus operaciones científicas, los investigadores de Carnegie han liderado numerosos equipos que estudian exoplanetas, galaxias y otros fenómenos cósmicos.

El director del Laboratorio de Tierra y Planetas, Michael Walter, afirmó: "Estos avances impulsados por el JWST se conectan directamente con nuestra larga tradición de entender cómo las características de los exoplanetas son moldeadas por la evolución y dinámica planetaria. Hay más resultados emocionantes en el horizonte y estamos preparados para una nueva ola de ciencia liderada por Carnegie en el próximo año".