El hecho de que no haya Mini-Neptuno en nuestro Sistema Solar no significa que no sean comunes. Parecen estar muy extendidos por toda la Vía Láctea y, según la NASA, son el tipo de exoplaneta más común. GJ 1214 b es uno de ellos.
Uno de los objetivos científicos declarados del Telescopio Espacial James Webb es el estudio de los exoplanetas. Ha progresado en este frente, incluido el conocido sistema TRAPPIST-1 que alberga siete mundos del tamaño de la Tierra. (Gracias por matar el zumbido, JWST.)
Si bien los sueños de encontrar planetas habitables que sustentan la vida dominan mucho el pensamiento sobre los exoplanetas, hay más que aprender que si los planetas individuales pueden sustentar la vida. Todavía tenemos muchas preguntas sobre cómo se forman los planetas, cómo evolucionan sus atmósferas y por qué algunos tipos son tan comunes pero están ausentes en nuestro Sistema Solar.
Pero con tantos exoplanetas pidiendo a gritos ser estudiados, los astrónomos que usan el JWST tienen que elegir sus objetivos con prudencia. Ese juicioso proceso llevó a un equipo de astrónomos a GJ 1214 b (Gliese 1214 b). Observaron el mini-Neptuno con el MIRI y el espectrómetro de baja resolución del JWST y publicaron sus resultados en un artículo en Nature titulado “Una atmósfera reflectante y rica en metales para GJ 1214b a partir de su curva de fase JWST.La autora principal es Eliza Kempton, investigadora de la Universidad de Maryland.
Gliese 1214 es una estrella enana roja a unos 40 años luz de distancia en la constelación de Ofiuco. El Proyecto Tierra encontró GJ 1214 b, su único planeta, con el método de tránsito en 2009. Las observaciones de seguimiento con el Hubble sugirieron que era un mundo acuático con una atmósfera espesa y llena de vapor. Es unas ocho veces más masivo que la Tierra y mide unos 2,75 radios terrestres.
En el papel que presenta su descubrimiento, los autores escribieron: “Encontramos que la masa y el radio planetarios son consistentes con una composición principalmente de agua envuelta por una envoltura de hidrógeno-helio que es solo el 0.05% de la masa del planeta. La atmósfera probablemente está escapando hidrodinámicamente, lo que indica que ha sufrido una evolución significativa durante su historia”.
Fue el primer mini-Neptuno encontrado que tiene atmósfera, y solo el segundo donde se determinó la masa y el radio. Pero cualquier otro detalle quedó oculto por la gruesa capa de neblina o nubes del planeta. Teniendo en cuenta todo esto, tiene sentido que los astrónomos quisieran usar el JWST para estudiarlo más a fondo.
«El planeta está totalmente cubierto por una especie de neblina o capa de nubes», dijo el autor principal, Kempton. «La atmósfera permaneció totalmente oculta para nosotros hasta esta observación».
Kempton y sus coautores fueron más allá de una típica observación de exoplanetas. Por lo general, los astrónomos enfocan telescopios en un exoplaneta mientras transita frente a su estrella. La luz de las estrellas atraviesa la atmósfera y la luz se analiza para detectar componentes químicos y otras características. Pero en este caso siguieron al planeta durante casi una órbita completa.
El poderoso instrumento MIRI del JWST se utilizó en el planeta mientras orbitaba su estrella. Sus observaciones crearon un mapa de calor del planeta que mostraba los lados diurno y nocturno, iluminando más detalles de su atmósfera.
“La capacidad de obtener una órbita completa fue realmente fundamental para comprender cómo el planeta distribuye el calor del lado diurno al lado nocturno”, dijo Kempton. “Hay mucho contraste entre el día y la noche. El lado de la noche es más frío que el lado del día. Las temperaturas cambiaron de 279 a 165 C (535 a 326 grados F.)
Un cambio de temperatura tan pronunciado indica que hay moléculas pesadas presentes, como H2O y CH4. Si su atmósfera estuviera dominada por el hidrógeno más ligero, eso indicaría una formación y evolución diferente. El hidrógeno abundante normalmente indica que un planeta está hecho de las mismas cosas que la nebulosa solar, lo que significa que está hecho de las mismas cosas que su estrella. Pero el agua y el metano podrían ser pistas importantes sobre la evolución del planeta y su potencial origen acuoso.
“Esta no es una atmósfera primordial”, dijo. “No refleja la composición de la estrella anfitriona alrededor de la cual se formó. En cambio, perdió mucho hidrógeno, si comenzó con una atmósfera rica en hidrógeno, o se formó a partir de elementos más pesados, para empezar, material más helado y rico en agua”.
Los planetas normalmente pierden hidrógeno de su atmósfera porque es muy ligero. La Tierra pierde alrededor de 90 toneladas de hidrógeno y helio en el espacio cada día. De hecho, a veces se piensa en los mini-Neptunos como eslabón perdido planetas que comenzó como versiones más pequeñas y densas de Neptuno que perdieron enormes cantidades de hidrógeno y helio para reducirlas a sus tamaños actuales. ¿Sucedió eso con GJ 1214b?
«Durante casi la última década, lo único que realmente sabíamos sobre este planeta era que la atmósfera estaba nublada o nebulosa», dijo Rob Zellem, un investigador de exoplanetas que trabaja con la coautora y colega investigadora de exoplanetas Tiffany Kataria en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. en el sur de California. «Este documento tiene implicaciones realmente geniales para interpretaciones climáticas detalladas adicionales, para observar la física detallada que sucede dentro de la atmósfera de este planeta».
Según los autores, una conclusión es que GJ 1214b se formó más lejos de su estrella que ahora. Luego sucedió algo que lo envió hacia adentro, más cerca de la enana roja que orbita. Cuanto más se acercaba, más de su atmósfera se despojaba.
Los autores escriben que es difícil discernir exactamente qué otros componentes químicos podría tener ese planeta, pero que el cianuro de hidrógeno, un subproducto del metano, podría estar presente. “Existe alguna evidencia de absorción adicional en el lado nocturno de una combinación de CH4 y HCN. Curiosamente, se prevé que se forme HCN como subproducto de la fotólisis de CH4; el último proceso es necesario para catalizar la formación de neblina de hidrocarburos”. Algunos de los datos sugieren que GJ 1214b tiene una neblina de hidrocarburos, pero no es concluyente.
Los autores dicen que sus hallazgos descartan una atmósfera inalterada. “En cambio, nuestras observaciones son consistentes con una atmósfera rica en hidrógeno pero con mayor metalicidad. Esto está en línea con las predicciones de que
los sub-Neptunos retienen atmósferas primordiales compuestas de gases nebulares”, pero la atmósfera luego se reconfigura a través de la pérdida de masa. Otra posibilidad es que sea un mundo de agua, y que su alto contenido de agua sea el resultado de la formación del planeta más allá de la línea de hielo de agua, o que haya incorporado material de esa región.
“La explicación más simple, si encuentras un planeta muy rico en agua, es que se formó más lejos de la estrella anfitriona”, dijo Kempton.
Como suele ser el caso cuando se trata de exoplanetas, la primera mirada detallada a un tipo puede llevar a los astrónomos a sacar conclusiones, pero con un solo punto de datos, cualquier conclusión es preliminar. Afortunadamente, abundan los mini-Neptunes y el JWST se encuentra en los primeros años de su misión.
“Al observar una población completa de objetos como este, esperamos poder construir una historia consistente”, dijo Kempton.
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