Análisis detallado de la atmósfera de un mundo abrasador a 600 años luz

Astrónomos han identificado y medido la abundancia de hasta once elementos químicos en la atmósfera del exoplaneta gigante extremadamente caliente WASP-76 b, a 600 años luz.

Esos incluyen elementos formadores de rocas cuya abundancia ni siquiera se conoce en planetas gigantes del sistema solar como Júpiter o Saturno. El estudio --dirigido por Stefan Pelletier, doctorando del Instituto Trottier para la Investigación de Exoplanetas de la Universidad de Montreal-- utilizó el instrumento MAROON-X en el telescopio Gemini-North y se publica en Nature.

"Verdaderamente raros son los momentos en que un exoplaneta a cientos de años luz de distancia puede enseñarnos algo que de otro modo probablemente sería imposible saber sobre nuestro propio sistema solar", dijo Pelletier en un comunicado. "Este es el caso con este estudio".

WASP-76 b es un mundo extraño. Alcanza temperaturas extremas porque está muy cerca de su estrella madre, una estrella masiva a 634 años luz de distancia en la constelación de Piscis: aproximadamente 12 veces más cerca que Mercurio del sol. Con una masa similar a la de Júpiter, pero casi seis veces mayor en volumen, es bastante "hinchada".

Desde su descubrimiento por parte del programa Wide Angle Search for Planets (WASP) en 2013, muchos equipos lo han estudiado e identificado varios elementos en su atmósfera. En particular, en un estudio también publicado en Nature en marzo de 2020, un equipo encontró una firma de hierro y planteó la hipótesis de que podría haber lluvia de hierro en el planeta.

Consciente de estos estudios, Pelletier se motivó a obtener nuevas observaciones independientes de WASP-76 b usando el espectrógrafo óptico de alta resolución MAROON-X en el telescopio de 8 metros Gemini-North en Hawai'i, parte del Observatorio Internacional Gemini. operado por NOIRLab de NSF.

"Reconocimos que el nuevo y poderoso espectrógrafo MAROON-X nos permitiría estudiar la composición química de WASP-76 b con un nivel de detalle sin precedentes para cualquier planeta gigante", dice el profesor de astronomía de la Universidad de Montreal Björn Benneke, coautor del estudio.

Dentro del sol, las abundancias de casi todos los elementos de la tabla periódica se conocen con gran precisión. Sin embargo, en los planetas gigantes de nuestro sistema solar, eso es cierto solo para un puñado de elementos, cuyas composiciones siguen estando mal restringidas. Y esto ha dificultado la comprensión de los mecanismos que gobiernan la formación de estos planetas.

Como está tan cerca de su estrella, WASP-76 b tiene una temperatura muy por encima de los 2.000 °C. En estos grados, muchos elementos que normalmente formarían rocas aquí en la Tierra (como el magnesio y el hierro) se vaporizan y se presentan en forma gaseosa en la atmósfera superior. El estudio de este peculiar planeta permite una visión sin precedentes de la presencia y abundancia de elementos formadores de rocas en los planetas gigantes, ya que en planetas gigantes más fríos como Júpiter, estos elementos están más bajos en la atmósfera y son imposibles de detectar.

La abundancia de muchos elementos medidos por Pelletier y su equipo en la atmósfera del exoplaneta, como manganeso, cromo, magnesio, vanadio, bario y calcio, coincide muy de cerca con la de su estrella anfitriona y la de nuestro propio sol.

Estas abundancias no son aleatorias: son el producto directo del Big Bang, seguido de miles de millones de años de nucleosíntesis estelar, por lo que los científicos miden aproximadamente la misma composición en todas las estrellas. Sin embargo, es diferente de la composición de los planetas rocosos como la Tierra, que se forman de una manera más compleja.

Los resultados de este nuevo estudio indican que los planetas gigantes podrían mantener una composición general que refleje la del disco protoplanetario del que se formaron.

Sin embargo, otros elementos se agotaron en el planeta en comparación con la estrella, un resultado que Pelletier encontró particularmente interesante.

"Estos elementos que parecen faltar en la atmósfera de WASP-76 b son precisamente aquellos que requieren temperaturas más altas para vaporizarse, como el titanio y el aluminio", dijo. "Mientras tanto, los que coincidieron con nuestras predicciones, como el manganeso, el vanadio o el calcio, se evaporan a temperaturas ligeramente más bajas".

La interpretación del equipo de descubrimiento es que la composición observada de las atmósferas superiores de los planetas gigantes puede ser extremadamente sensible a la temperatura. Dependiendo de la temperatura de condensación de un elemento, estará en forma gaseosa y presente en la parte superior de la atmósfera, o se condensará en forma líquida donde se hundirá a capas más profundas. Cuando está en forma de gas, juega un papel importante en la absorción de la luz y puede verse en las observaciones de los astrónomos. Cuando se condensa, los astrónomos no pueden detectarlo y desaparece por completo de sus observaciones.

"Si se confirma, este hallazgo significaría que dos exoplanetas gigantes que tienen temperaturas ligeramente diferentes entre sí podrían tener atmósferas muy diferentes", dijo Pelletier. "Algo así como dos ollas de agua, una a -1 °C que está congelada y otra que está a +1 °C que es líquida. Por ejemplo, se observa calcio en WASP-76 b, pero puede que no esté en un planeta un poco más frío".