Evidencia de atmósfera en un exoplaneta rocoso a 41 años luz

Observaciones con el telescopio espacial James Webb de NASA/ESA/CSA pueden haber detectado gases atmosféricos que rodean 55 Cancri e, un exoplaneta rocoso y caliente a 41 años luz de la Tierra.

Publicada en la revista Nature, esta es la mejor evidencia hasta la fecha de la existencia de una atmósfera de planeta rocoso fuera de nuestro Sistema Solar, según informa la ESA.

55 Cancri e es uno de los cinco planetas conocidos que orbitan alrededor de una estrella similar al Sol en la constelación de Cáncer. Con un diámetro de casi el doble que el de la Tierra y una densidad ligeramente mayor, el planeta está clasificado como una súper Tierra: más grande que la Tierra, más pequeño que Neptuno y probablemente similar en composición a los planetas rocosos de nuestro Sistema Solar.

Sin embargo, describir 55 Cancri e como rocoso podría dar una impresión equivocada. El planeta orbita tan cerca de su estrella (a unos 2,25 millones de kilómetros, o una vigésima quinta parte de la distancia entre Mercurio y el Sol) que es probable que su superficie esté fundida: un océano burbujeante de magma. En una órbita tan estrecha, es probable que el planeta también esté bloqueado por las mareas, con un lado diurno que mira a la estrella en todo momento y un lado nocturno en perpetua oscuridad.

A pesar de numerosas observaciones desde que se descubrió que transitaba en 2011, la cuestión de si 55 Cancri e tiene atmósfera (o incluso podría tenerla, dada su alta temperatura y el continuo ataque de radiación estelar y viento de su estrella) ha quedado sin respuesta.

"He trabajado en este planeta durante más de una década", dijo en un comunicado Diana Dragomir, investigadora de exoplanetas de la Universidad de Nuevo México y coautora del estudio. "Ha sido realmente frustrante que ninguna de las observaciones que hemos recibido haya resuelto de manera sólida estos misterios. ¡Estoy encantada de que finalmente estemos obteniendo algunas respuestas!

A diferencia de las atmósferas de gigantes gaseosos, que son relativamente fáciles de detectar (la primera fue detectada por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA hace más de dos décadas), las atmósferas más delgadas y densas que rodean a los planetas rocosos siguen siendo difíciles de alcanzar.

Estudios anteriores de 55 Cancri e utilizando datos del ahora retirado Telescopio Espacial Spitzer de la NASA sugirieron la presencia de una atmósfera sustancial rica en volátiles (moléculas que se encuentran en forma de gas en la Tierra) como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. Pero los investigadores no pudieron descartar otra posibilidad: que el planeta esté desnudo, salvo por un tenue manto de roca vaporizada, rica en elementos como silicio, hierro, aluminio y calcio. "El planeta está tan caliente que parte de la roca fundida debería evaporarse", explicó Hu.

Para distinguir entre las dos posibilidades, el equipo utilizó la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) y MIRI (instrumento de infrarrojo medio) de Webb para medir la luz infrarroja de 4 a 12 micrones proveniente del planeta.

Aunque Webb no puede capturar una imagen directa de 55 Cancri e, puede medir cambios sutiles en la luz de todo el sistema a medida que el planeta orbita la estrella.

Al restar el brillo durante el eclipse secundario, cuando el planeta está detrás de la estrella (solo luz estelar), del brillo cuando el planeta está justo al lado de la estrella (luz de la estrella y el planeta combinados), el equipo pudo calcular la cantidad de varias longitudes de onda de luz infrarroja procedente del lado diurno del planeta.

Este método, conocido como espectroscopía de eclipses secundarios, es similar al utilizado por otros equipos de investigación para buscar atmósferas en otros exoplanetas rocosos, como TRAPPIST-1 b.

La primera indicación de que 55 Cancri e podría tener una atmósfera sustancial provino de mediciones de temperatura basadas en su emisión térmica, la energía térmica emitida en forma de luz infrarroja. Si el planeta está cubierto de roca fundida oscura con un fino velo de roca vaporizada, o no tiene atmósfera alguna, la temperatura del lado diurno debería rondar los 2.200 grados Celsius.

"En cambio, los datos MIRI mostraron una temperatura relativamente baja de alrededor de 1.540 grados Celsius", dijo Hu. "Esta es una indicación muy fuerte de que la energía se está distribuyendo del lado diurno al nocturno, muy probablemente por una atmósfera rica en volátiles". Si bien las corrientes de lava pueden transportar algo de calor hacia el lado nocturno, no pueden moverlo con la suficiente eficiencia como para explicar el efecto de enfriamiento.

Cuando el equipo examinó los datos de NIRCam, vio patrones consistentes con una atmósfera rica en volátiles. "Vemos evidencia de una caída en el espectro entre 4 y 5 micrones: menos luz llega al telescopio", explicó el coautor Aaron Bello-Arufe, también del JPL. "Esto sugiere la presencia de una atmósfera que contiene monóxido de carbono o dióxido de carbono, los cuales absorben estas longitudes de onda de luz". Un planeta sin atmósfera o sólo con roca vaporizada en una atmósfera no tendría esta característica espectral específica.

El equipo cree que los gases que cubren 55 Cancri e estarían burbujeando desde el interior, en lugar de estar presentes desde la formación del planeta. "La atmósfera primaria habría desaparecido hace mucho debido a la alta temperatura y la intensa radiación de la estrella", dijo Bello-Arufe. "Esta sería una atmósfera secundaria que el océano de magma repone continuamente. El magma no es sólo cristales y roca líquida, también contiene mucho gas disuelto".