Gracias al éxito de la misión Kepler, sabemos que existen multitud de exoplanetas de un tipo llamado “Júpiter caliente”. Estos son gigantes gaseosos que orbitan tan cerca de sus estrellas que alcanzan temperaturas extremadamente altas. También tienen atmósferas exóticas, y esas atmósferas contienen mucha extrañeza, como nubes hechas de óxido de aluminio y lluvia de titanio.
Un equipo de astrónomos ha creado un atlas de nubes para Hot Jupiters, que detalla qué tipo de nubes y atmósferas veremos cuando observemos diferentes Hot Jupiters.
Aunque todos los Hot Jupiters son similares, muestran algunas diferencias. Y esas diferencias pueden dictar lo que veremos en sus atmósferas, especialmente en los próximos años, a medida que desarrollemos telescopios más potentes para observarlos.
El límite de masa superior para un Júpiter caliente es de aproximadamente 13,6 masas de Júpiter. Por encima de eso, fusionaría deuterio y sería una enana marrón. Su período orbital está entre 1,2 y 111 días terrestres, y las órbitas son casi circulares, con baja excentricidad. Muchos Júpiter calientes tienen densidades bajas y están bloqueados por mareas con su estrella. Son raros alrededor de las estrellas enanas rojas, comunes alrededor de las estrellas tipo F y G, y menos comunes alrededor de las estrellas tipo K.
Una de las razones por las que conocemos tantos Júpiter calientes es porque son muy fáciles de detectar. Cuando ellos tránsito frente a sus estrellas, bloquean mucha más luz que los planetas más pequeños. Y dado que sus períodos orbitales son tan cortos, las posibilidades de atrapar a uno en tránsito mientras estamos observando son bastante altas.
Dado que los Júpiter calientes se encuentran tan fácilmente y son excelentes candidatos para la observación atmosférica con futuros telescopios, un equipo de astrónomos elaboró un atlas de nubes para ellos. Este atlas es básicamente un modelo de los diferentes tipos de atmósferas y nubes que se encuentran en los diferentes Júpiter Calientes.
El equipo de astrónomos es de Canadá, Reino Unido y Estados Unidos. El autor principal es Peter Gao, becario postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley. El título del trabajo es “Composición de aerosoles de exoplanetas gigantes calientes dominados por silicatos y neblina de hidrocarburos.” Está publicado en la revista Nature Astronomy.
La idea detrás del estudio es catalogar el tipo de atmósferas que tienen los Hot Jupiters. Como escriben los autores en el estudio, “los aerosoles son comunes en las atmósferas de los exoplanetas en una amplia franja de temperaturas, masas y edades. Estos aerosoles tienen un fuerte impacto en las observaciones de la luz transmitida, reflejada y emitida por los exoplanetas, ofuscando nuestra comprensión de la estructura y composición térmica de los exoplanetas”.
Comprender los aerosoles en las atmósferas de Júpiter Caliente les dará a los astrónomos una ventaja cuando observen esas atmósferas en el futuro. “Conocer la composición dominante del aerosol facilitaría las interpretaciones de las observaciones de exoplanetas y la comprensión teórica de sus atmósferas”, escriben. Su trabajo también es relevante para los mundos de nuestro propio Sistema Solar, como los gigantes gaseosos más fríos Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, y lunas como Titán, que está dominada por una atmósfera espesa y brumosa.
Según los autores, un tipo de nube domina las atmósferas de los gigantes de gias, ya sean Júpiter calientes o gigantes más fríos. Esa atmósfera contiene «gotas líquidas o sólidas de silicio y oxígeno, como cuarzo derretido o arena fundida».
«Los tipos de nubes que pueden existir en estas atmósferas calientes son cosas que realmente no consideramos nubes en el sistema solar», dijo el autor principal Peter Gao en un comunicado. presione soltar. “Ha habido modelos que predicen varias composiciones, pero el objetivo de este estudio fue evaluar cuál de estas composiciones realmente importa y comparar el modelo con los datos disponibles que tenemos”.
Las atmósferas de los exoplanetas, y realmente cualquier cosa que tenga que ver con los exoplanetas, es un tema candente en la astronomía ahora, y lo ha sido durante aproximadamente una década. Los astrónomos han podido observar esas atmósferas a medida que la luz de las estrellas las atraviesa y determinar algunos datos sobre su composición.
En 2019, por ejemplo, los científicos encontraron vapor de agua, tal vez incluso lluvia, en la atmósfera de un exoplaneta. En 2020, los investigadores descubrieron evidencia de lluvia de hierro fundido en la atmósfera en el lado nocturno de un exoplaneta bloqueado por mareas. Y en octubre de 2013, los astrónomos encontraron evidencia de cobertura de nubes en uno de los primeros exoplanetas descubiertos por la nave espacial Kepler, Kepler 7b.
Pero por cada exoplaneta que ofrece sus secretos atmosféricos a la espectroscopia, hay otro cuya capa de nubes es tan espesa que la espectroscopia no funciona. Hay tanta nube que la luz de las estrellas no la atraviesa en absoluto. Esto impide que los astrónomos examinen las capas más profundas de la atmósfera, donde se esconden pistas sobre el planeta.
“Hemos encontrado muchas nubes: algunos tipos de partículas, no moléculas, sino pequeñas gotas, que cuelgan en estas atmósferas”, dijo Gao. «Realmente no sabemos de qué están hechos, pero están contaminando nuestras observaciones, lo que esencialmente nos dificulta evaluar la composición y la abundancia de moléculas importantes, como el agua y el metano».
Los científicos de exoplanetas han tratado de entender y explicar lo que están viendo, qué son estas gotas. Han modelado óxidos de aluminio, como el corindón, la materia de rubíes y zafiros; sal fundida, como cloruro de potasio; óxidos de silicio, o silicatos, como el cuarzo, componente principal de la arena; sulfuros de manganeso o zinc que existen como rocas en la Tierra; y compuestos de hidrocarburos orgánicos.
Y según Gao, estas nubes exóticas podrían ser aerosoles líquidos o sólidos.
Los modelos se adaptaron a partir de modelos desarrollados alrededor de la atmósfera terrestre y luego se extendieron a planetas como Júpiter, que tiene una atmósfera turbulenta que contiene nubes de metano y amoníaco. A partir de ahí, Gao y los otros autores lo ampliaron para incluir Hot Jupiters, con temperaturas de hasta 2500 Celsius (4600 F; 2800 K.)
Su objetivo era observar diferentes gases atmosféricos de diferentes átomos o moléculas que se condensan en gotitas, cómo crecen o se evaporan esas gotitas, y cómo podrían transportarse a través de las atmósferas.
“La idea es que los mismos principios físicos guíen la formación de todo tipo de nubes”, dijo Gao, quien también modeló nubes de ácido sulfúrico en Venus. “Lo que he hecho es tomar este modelo y llevarlo al resto de la galaxia, haciéndolo capaz de simular nubes de silicato, nubes de hierro y nubes de sal”.
Pero eso es solo el modelado. Una vez que se ha desarrollado un modelo, es hora de probarlo observacionalmente. Tenemos observaciones atmosféricas detalladas para unos 70 exoplanetas, y Gao y el equipo de investigadores compararon ese modelo con 30 de ellos.
Sus resultados excluyeron algunos de los tipos de nubes más exóticos que se propusieron a lo largo de los años. eso es porque se necesita demasiada energía para condensarlos. Pero otros tipos, como las nubes de sílice, se condensan fácilmente. Gao y el equipo encontraron que las nubes de sílice dominan un rango de temperatura bastante amplio: 1100 Kelvin, desde aproximadamente 900 K a 2000 K.
También encontraron que en los Júpiter calientes más calientes, los óxidos de aluminio y los óxidos de titanio se condensan en nubes de alto nivel, mientras que en los exoplanetas con atmósferas más frías, esas nubes se forman más profundamente en el planeta y están oscurecidas por nubes de silicato más altas. Si los planetas son aún más fríos, esas mismas nubes de silicato se forman aún más profundas, dejando la atmósfera superior despejada.
Como resultado de sus hallazgos, Gao dice que los mejores Júpiter calientes para el estudio atmosférico se encuentran en dos rangos de temperatura: un grupo de rango está entre 900 K y 1400 K, y el otro está por encima de 2200 K. En ambos rangos de temperatura, la atmósfera superior es claro, lo que permite observaciones detalladas de las atmósferas.
«La presencia de nubes se ha medido antes en varias atmósferas de exoplanetas, pero es cuando miramos colectivamente una muestra grande que podemos separar la física y la química en las atmósferas de estos mundos», dijo la coautora Hannah Wakeford. , astrofísico de la Universidad de Bristol en el Reino Unido «La especie de nube dominante es tan común como la arena, es esencialmente arena, y será realmente emocionante poder medir las firmas espectrales de las propias nubes por primera vez con el próximo Telescopio Espacial James Webb (JWST)”.
Cuando se lance el JWST, será un gran impulso para varias áreas de la astronomía, la cosmología y otras áreas de la ciencia espacial. Tendrá el poder de examinar de cerca las atmósferas de los exoplanetas. Pero también podrá entrenar su poderoso ojo infrarrojo en mundos más cercanos a casa, como Júpiter. Es posible que encontremos que algunos de los tipos de nubes exóticas descritas en este trabajo existen en la atmósfera profunda de Júpiter.
Hay una debilidad en este estudio, que los autores reconocen desde el principio. Su modelo no tiene en cuenta las diferencias entre el día y la noche, a pesar de que los Júpiter calientes suelen estar bloqueados por mareas con respecto a sus estrellas. Escriben: «Una advertencia de nuestro estudio es que, al usar modelos unidimensionales, no tenemos en cuenta la tridimensionalidad de los exoplanetas gigantes cálidos, que probablemente estén bloqueados por mareas con sus estrellas anfitrionas».
Sin embargo, eso puede no tener mucho efecto general en los resultados de su trabajo. Como escriben los autores, «Es poco probable que estos efectos afecten sustancialmente nuestras conclusiones, sin embargo, ya que el perfil de temperatura promedio del terminador observado en la transmisión debería ser más similar al perfil promedio global que usamos en nuestro modelo que el perfil más extremo día y noche». perfiles nocturnos”.
En el futuro, Gao y sus colegas tienen la intención de probar su modelo con más observaciones de exoplanetas. “Debido a que hay miles de exoplanetas versus solo un Júpiter, podemos estudiar un montón de ellos y ver cuál es el promedio y cómo se compara con Júpiter”, dijo Gao. También tienen la intención de estudiar algunas enanas marrones. Las enanas marrones son esencialmente gigantes gaseosos tan masivos que son casi estrellas y también tienen atmósferas y nubes.
“Al estudiar las atmósferas planetarias en el sistema solar, normalmente tenemos el contexto de las imágenes. No tenemos tanta suerte con los exoplanetas. Son solo puntos o sombras”, dijo Jonathan Fortney de UC Santa Cruz. “Esa es una gran pérdida de información. Pero lo que tenemos que compensar es un tamaño de muestra mucho más grande. Y eso nos permite buscar tendencias, aquí, una tendencia en la nubosidad, con la temperatura planetaria, algo de lo que simplemente no podemos darnos el lujo en nuestro sistema solar”.
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