Los exoplanetas similares a Neptuno pueden estar nublados o despejados. Nuevos hallazgos explican esta diferencia.
Un nuevo estudio arroja luz sobre las características atmosféricas de 15 exoplanetas similares a Neptuno.
Por la Universidad de Kansas
Recreación artística de GJ 9827d, el exoplaneta más pequeño donde se ha detectado vapor de agua ensu atmósfera. Crédito: NASA/ESA/Leah Hustak, Ralf Crawford, Space Telescope Science Institute
El estudio de los exoplanetas, nombre que suena a ciencia ficción con el que se conoce a todos los planetas del cosmos situados más allá de nuestro sistema solar, es un campo de investigación bastante nuevo. Principalmente, los investigadores de exoplanetas, como los del ExoLab de la Universidad de Kansas (EE. UU.), utilizan datos de telescopios espaciales, caso del Hubble y el James Webb. Siempre que los titulares hablan de planetas similares a la Tierra o con potencial para albergar a la humanidad, se refieren a exoplanetas dentro de la Vía Láctea.
Jonathan Brande, del ExoLab, acaba de publicar unos hallazgos en el The Astrophysical Journal Letters que muestran nuevos detalles atmosféricos en un conjunto de quince exoplanetas similares a Neptuno. Si bien es verdad que en ninguno de ellos podría instalarse la humanidad, no menos cierto es que una mejor comprensión de su comportamiento podría ayudarnos a comprender por qué no tenemos un Neptuno pequeño, mientras que la mayoría de los sistemas solares parecen contar con un planeta de esta clase.
La luz se hace pasar por un espectrómetro.
"Durante los últimos años en la Universidad de Kansas, mi foco investigador se ha centrado en estudiar las atmósferas de exoplanetas mediante una técnica conocida como espectroscopia de transmisión —dice Brande. Y añade: —Cuando un planeta transita, es decir, se mueve entre nuestra línea de visión y la estrella que orbita, la luz de la esta atraviesa la atmósfera del planeta y es absorbida por los distintos gases presentes. Al regitrar un espectro de la estrella —esto se hace haciendo pasar la luz a través de un instrumento llamado espectrógrafo, que sería como pasar la luz a través de un prisma— observamos un arcoíris, y medimos el brillo de los diferentes colores que lo componen. Las distintas zonas de brillo u oscurecimiento en el espectro revelan los gases que absorben la luz en la atmósfera del planeta".
Con esta metodología, Brande publicó hace varios años un artículo sobre el exoplaneta Neptuno caliente TOI-674 b, en el que presentaba observaciones que indicaban la presencia de vapor de agua en su atmósfera. Estas observaciones formaban parte de un programa más amplio dirigido por el asesor de Brande, Ian Crossfield, profesor de Física y Astronomía de la Universidad de Kansas, para observar atmósferas de exoplanetas del tamaño de Neptuno.
Ilustración de TOI-674 b, que tiene una atmósfera que, según un estudio reciente, incluye vapor de agua. Crédito: NASA/JPL-Caltech
“Queremos comprender el comportamiento de estos planetas, dado que los ligeramente más grandes que la Tierra y más pequeños que Neptuno son los más comunes en la galaxia", explica Brande, que en su investigación aborda por qué algunos mundos aparecen nublados mientras que otros están despejados. "El objetivo es explorar las explicaciones físicas detrás de las distintas apariencias de estos planetas", concreta Brande.
Brande y sus colegas prestaron especial atención a las regiones donde los exoplanetas tienden a formar nubes o brumas en lo alto de su atmósfera. Cuando estos aerosoles atmosféricos están presentes, las neblinas pueden bloquear la luz que se filtra a través de la atmósfera., según este investigador.
Nubes bajas, nubes altas.
"Si un planeta tiene una nube justo encima de la superficie con cientos de kilómetros de aire claro por encima, la luz de las estrellas puede atravesar fácilmente el aire claro y ser absorbida solo por los gases específicos de esa parte de la atmósfera— explica Brande. Y nontinúa: —Sin embargo, si las nubes están situadas a mucha altura, suelen ser opacas en todo el espectro electromagnético. Aunque las brumas tienen características espectrales, para nuestro trabajo, en el que nos centramos en un rango relativamente estrecho con el Hubble, también producen espectros mayoritariamente planos."
Según Brande, cuando estos aerosoles están presentes a gran altura en la atmósfera, no hay un camino claro para que la luz se filtre.
"Con el Hubble, el gas al que somos más sensibles es el vapor de agua—, apunta Brande. Y añade: — “Si observamos vapor de agua en la atmósfera de un planeta, es una buen indicador de que no hay nubes lo suficientemente altas como para bloquear su absorción. Por el contrario, si no se observa vapor de agua y solo se ve un espectro plano, a pesar de saber que el planeta debería tener una atmósfera extendida, sugiere la probable presencia de nubes o brumas en altitudes más altas”.
Brande y el resto de los firmantes del estudio enfocaron su análisis de forma diferente a los esfuerzos anteriores, y se centraron en determinar los parámetros físicos de las atmósferas de los pequeños Neptunos. En cambio, los análisis anteriores solían consistir en ajustar un único espectro modelo a las observaciones.
Y aparecen nubes esponjosas.
"Normalmente, los investigadores toman un modelo atmosférico con contenido de agua calculado previamente, lo escalan y lo desplazan para que coincida con los planetas observados en su muestra— explica Brande. Y añade: —Este enfoque indica si el espectro está despejado o nublado, pero no proporciona información sobre la cantidad de vapor de agua o la ubicación de las nubes en la atmósfera".
En su lugar, Brande empleó una técnica conocida como recuperación atmosférica. "Para ello fue necesario modelizar la atmósfera en función de diversos parámetros planetarios, como la cantidad de vapor de agua y la ubicación de las nubes, y repetir la modelización, a través de cientos y miles de simulaciones, hasta encontrar la configuración que mejor se ajustara", comenta Brande. Y añade: — Nuestros resultados nos proporcionaron el espectro del modelo mejor ajustado para cada planeta, a partir del cual calculamos el grado de nubosidad o claridad del planeta”.
A continuación, compararon las claridades medidas con un conjunto de modelos de su compañera Caroline Morley, lo que nos les permitió comprobar que sus resultados coincidían con las expectativas para planetas similares. “Al examinar el comportamiento de las nubes y las brumas, nuestros modelos indicaron que las nubes se ajustaban mejor que las brumas. El parámetro de eficiencia de sedimentación, que refleja la compacidad de las nubes, sugería que los planetas observados tenían eficiencias de sedimentación relativamente bajas, lo que daba lugar a nubes esponjosas. Estas nubes, formadas por partículas como gotas de agua, permanecían elevadas en la atmósfera debido a su baja tendencia a sedimentarse", relata Brande.
Vapor de agua en un exoplaneta tan caliente como Venus.
Los hallazgos de Brande proporcionan información sobre el comportamiento de estas atmósferas planetarias, y fueron bien acojidos cuando los presentó en una reunión reciente de la Sociedad Astronómica Estadounidense.
Además, Brande forma parte de un programa de observación internacional, dirigido por Crossfield, que acaba de anunciar hallazgos de vapor de agua en GJ 9827d, un planeta tan caliente como Venus que se halla a 97 años luz de la Tierra, en la constelación de Piscis.
Las observaciones, realizadas con el telescopio espacial Hubble, muestran que el planeta puede ser solo un ejemplo de mundos ricos en agua en la Vía Láctea. El hallazgo ha sido anunciado por un equipo dirigido por Pierre-Alexis Roy, del Instituto Trottier de Investigación sobre Exoplanetas de la Universidad de Montreal (Canadá).
"Estábamos buscando vapor de agua en las atmósferas de planetas de tipo sub-Neptuno— dice Brande. Y continúa:— El trabajo de Pierre-Alexis es el último de ese esfuerzo principal, porque se necesitaron aproximadamente 10 u 11 órbitas o tránsitos del planeta para hacer la detección de vapor de agua. El espectro de Pierre-Alexis se incluyó en nuestro artículo como uno de nuestros puntos de datos de tendencias, e incluimos todos los planetas de su propuesta y otros estudiados en la literatura científica, lo que refuerza nuestros resultados. Estuvimos en estrecha comunicación con ellos durante el proceso de ambos artículos para asegurarnos de que utilizábamos los resultados actualizados adecuados y reflejábamos con precisión sus hallazgos."
Información facilitada por la Universidad de Texas
Fuente: Jonathan Brande et al. Clouds and Clarity: Revisiting Atmospheric Feature Trends in Neptune-size Exoplanets. The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad1b5c
