El Telescopio Webb investiga la química en la atmósfera de un gigante de gas caliente – Ars Technica

Hasta hace unas décadas, los únicos planetas que conocíamos existían en nuestro sistema solar, y eso dio forma a la forma en que pensamos sobre la formación planetaria y la química planetaria. Ahora, con tantos exoplanetas identificados, tenemos muchos ejemplos de cosas que nunca antes habíamos visto: pequeños Neptunos, súper-Tierras, Júpiteres calientes.

Descubrir lo que nos dicen todas estas cosas nuevas es un poco confuso. Es relativamente fácil determinar la densidad de un planeta y cuánta energía recibirá de su estrella anfitriona. Pero una cierta densidad generalmente corresponde a una gama de materiales: la roca sólida puede actuar como un análogo a un gran núcleo mineral y una atmósfera hinchada, por ejemplo. Y la temperatura del planeta dependerá en gran medida de cosas como la composición de su atmósfera y la cantidad de luz que refleja su superficie.

Entonces, saber qué estamos viendo cuando vemos datos en un exoplaneta es difícil. Pero con la operación exitosa del Telescopio Espacial Webb, estamos comenzando a avanzar un poco más. En la edición del miércoles de la revista Nature, los científicos usan datos del nuevo telescopio para inferir la química del gigante de gas caliente y descubren que están sucediendo cosas que no veremos en nuestro propio sistema solar.

grande y caliente

El objetivo de la investigación Exoplaneta WASP-39b, que está a unos 700 años luz de la Tierra. Es un gigante gaseoso, pero su masa es mucho menor que la de Júpiter, en dos tercios. A pesar de esto, es mucho más grande que Júpiter, con un radio de 1,7 veces ese. El mayor contribuyente a esto es el hecho de que el planeta está caliente. Su radio orbital es menos del 5 por ciento del radio de la Tierra, y tarda un poco más de cuatro días terrestres en completar una órbita. La estrella que orbita tampoco es una enana débil; Es aproximadamente del mismo tamaño que el Sol y calienta el planeta a casi 900 grados centígrados.

Por lo tanto, WASP-39b es diferente a cualquiera de los planetas de nuestro sistema solar. Lo que lo convierte en una excelente opción para detectar cosas que no veríamos cerca de casa. También es un objetivo atractivo para las observaciones porque su atmósfera es muy grande. Esto significa que a medida que el planeta pasa entre su estrella anfitriona y la Tierra, más luz de la estrella atravesará la atmósfera de WASP-39b. Cuando eso suceda, los químicos en la atmósfera absorberán longitudes de onda específicas, creando una firma que podemos leer para aprender más sobre la formación del planeta.

Por estas razones, WASP-39b fue uno de los primeros planetas observados por el telescopio Webb. Los datos obtenidos indican que la atmósfera del planeta contiene dióxido de carbono y dióxido de azufre.

Ambos químicos aparecen en la atmósfera de la Tierra, por lo que su presencia no es un gran shock en ese sentido. Pero la atmósfera de la Tierra es un ambiente oxidante, por lo que los químicos oxidantes son la clave. Por el contrario, los gigantes gaseosos son ricos en hidrógeno, lo que los convierte en una atmósfera reductora. Deberíamos ver agua, metano y sulfuro de hidrógeno, no dióxido de carbono y dióxido de azufre.

química del planeta

Para averiguar qué estaba pasando, un gran equipo de investigación adaptó un software que modela reacciones químicas para trabajar con condiciones y precursores que probablemente estén presentes en la atmósfera de WASP-39b. Las condiciones se crearon utilizando un modelo de circulación general de la atmósfera del planeta, centrándose en los extremos de la mañana y la tarde, los lugares donde se encuentran los lados diurno y nocturno del planeta.

Estos modelos mostraron que existen vías en las que se puede formar el dióxido de azufre. Pero comienzan con la descomposición del agua por la luz ultravioleta de la estrella cercana. Los rayos UV dividen el agua en dos químicos reactivos llamados radicales (radicales H y OH, específicamente). Al principio, los radicales de hidrógeno eliminan el hidrógeno, dejando atrás el azufre. Entonces eso reacciona con el radical OH, oxidándolo.

Los modelos predicen que el dióxido de azufre será más frecuente por la mañana, que es más fresco que el lado nocturno del planeta. También sugieren que deberíamos ver precursores como el azufre y el dióxido de azufre, pero estos no dejarían una huella en la luz de las estrellas que pasa a través de la atmósfera.

Una de las cosas más interesantes de esto es que hay varias razones por las que esto no funciona bien en nuestro sistema solar. Primero, todos los gigantes gaseosos están muy lejos en el sistema solar y no reciben tanta radiación ultravioleta. Pero el mayor problema es que el proceso es muy sensible a la proporción de elementos pesados ​​e hidrógeno en la atmósfera de un planeta (referido por los astrónomos como la metalicidad del planeta). Incluso siendo cinco veces más metálico que nuestro sol, simplemente no generas suficiente dióxido de azufre para producir una firma que podamos detectar desde la Tierra. Necesita aproximadamente 10 veces más metal solar para producir un buen ajuste a los datos de Webb.

Por el contrario, la producción de SO2 no parece ser muy sensible a la temperatura. Entonces, WASP-39b, que es extremadamente caliente, no parece jugar un papel en su producción. Pero en los gigantes gaseosos del sistema solar, las temperaturas son lo suficientemente bajas como para que incluso si se formara dióxido de azufre, se condensaría rápidamente en partículas de aerosol o sufriría reacciones químicas con la presencia de amoníaco. Cualquiera de esas dos cosas evitaría el tipo de firma espectral de su presencia que vemos en la luz que ha pasado a través de la atmósfera de WASP-39b.

fuera del sistema solar

Entonces, por todas estas razones, la atmósfera de WASP-39b parece albergar un entorno químico que no deberíamos esperar encontrar en nuestro propio sistema solar. A medida que comencemos a obtener imágenes de las atmósferas de planetas adicionales, será importante tener esto en cuenta. La mayoría de las atmósferas que estamos observando probablemente tengan una mezcla de sustancias químicas, presiones, temperaturas y exposiciones a la radiación que son diferentes entre sí, por lo que pueden albergar una química que no conocemos.

Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05902-2 (sobre los DOI).