Un equipo internacional de investigadores ha utilizado con éxito el telescopio espacial James Webb de la NASA para mapear el clima en el exoplaneta gigante de gas caliente WASP-43 b.
Las mediciones precisas de brillo en un amplio espectro de luz infrarroja media, combinadas con modelos climáticos 3D y observaciones previas de otros telescopios, sugieren la presencia de nubes altas y espesas que cubren el lado nocturno, cielos despejados durante el día y vientos ecuatoriales de más de 5,000 millas. por hora mezclando gases atmosféricos alrededor del planeta.
La investigación es sólo la última demostración de la ciencia de los exoplanetas que ahora es posible gracias a la extraordinaria capacidad de Webb para medir variaciones de temperatura y detectar gases atmosféricos a billones de kilómetros de distancia.
«Júpiter caliente» bloqueado por mareas
WASP-43 b es un exoplaneta del tipo «Júpiter caliente»: similar en tamaño a Júpiter, compuesto principalmente de hidrógeno y helio, y mucho más caliente que cualquiera de los planetas gigantes de nuestro propio sistema solar. Aunque su estrella es más pequeña y más fría que el Sol, WASP-43 b orbita a una distancia de sólo 1,3 millones de millas, menos de 1/25th la distancia entre Mercurio y el Sol.
Con una órbita tan estrecha, el planeta está bloqueado por las mareas, con un lado continuamente iluminado y el otro en permanente oscuridad. Aunque el lado nocturno nunca recibe radiación directa de la estrella, los fuertes vientos del este transportan calor desde el lado diurno.
Desde su descubrimiento en 2011, WASP-43 b ha sido observado con numerosos telescopios, incluido el telescopio espacial Hubble de la NASA y el ahora retirado telescopio espacial Spitzer.
«Con el Hubble pudimos ver claramente que hay vapor de agua en el lado diurno. Tanto el Hubble como el Spitzer sugirieron que podría haber nubes en el lado nocturno», explicó Taylor Bell, investigador del Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía y autor principal de un estudio publicado hoy en Naturaleza Astronomía. «Pero necesitábamos mediciones más precisas de Webb para realmente comenzar a mapear la temperatura, la cobertura de nubes, los vientos y la composición atmosférica más detallada en todo el planeta».
Mapeo de temperatura e inferencia del clima
Aunque WASP-43 b es demasiado pequeño, tenue y cercano a su estrella para que un telescopio pueda verlo directamente, su corto período orbital de sólo 19,5 horas lo hace ideal para la espectroscopia de curva de fase, una técnica que implica medir pequeños cambios en el brillo de la estrella. sistema estrella-planeta a medida que el planeta orbita la estrella.
Dado que la cantidad de luz infrarroja media emitida por un objeto depende en gran medida de su calor, los datos de brillo capturados por Webb pueden usarse para calcular la temperatura del planeta.
El equipo utilizó MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) de Webb para medir la luz del sistema WASP-43 cada 10 segundos durante más de 24 horas. «Al observar toda una órbita, pudimos calcular la temperatura de diferentes lados del planeta a medida que giran a la vista», explicó Bell. «A partir de ahí, podríamos construir un mapa aproximado de la temperatura en todo el planeta».
Las mediciones muestran que el lado diurno tiene una temperatura promedio de casi 2.300 grados Fahrenheit (1.250 grados Celsius), lo suficientemente caliente como para forjar hierro. Mientras tanto, el lado nocturno es significativamente más fresco con 1,100 grados Fahrenheit (600 grados Celsius). Los datos también ayudan a localizar el punto más caliente del planeta (el «punto caliente»), que se desplaza ligeramente hacia el este desde el punto que recibe la mayor radiación estelar, donde la estrella está más alta en el cielo del planeta. Este cambio se produce debido a los vientos supersónicos, que mueven el aire caliente hacia el este.
«El hecho de que podamos mapear la temperatura de esta manera es un verdadero testimonio de la sensibilidad y estabilidad de Webb», dijo Michael Roman, coautor de la Universidad de Leicester en el Reino Unido.
Para interpretar el mapa, el equipo utilizó complejos modelos atmosféricos 3D como los que se utilizan para comprender el tiempo y el clima en la Tierra. El análisis muestra que el lado nocturno probablemente esté cubierto por una gruesa y alta capa de nubes que impiden que parte de la luz infrarroja escape al espacio. Como resultado, la zona nocturna, aunque muy calurosa, parece más oscura y fría de lo que sería si no hubiera nubes.
Falta de metano y fuertes vientos
El amplio espectro de luz infrarroja media captado por Webb también permitió medir la cantidad de vapor de agua (H2O) y metano (CH4) alrededor del planeta. «Webb nos ha dado la oportunidad de descubrir exactamente qué moléculas estamos viendo y poner algunos límites a las abundancias», dijo Joanna Barstow, coautora de la Open University del Reino Unido.
Los espectros muestran signos claros de vapor de agua tanto en el lado nocturno como en el lado diurno del planeta, lo que proporciona información adicional sobre el espesor de las nubes y la altura a la que se extienden en la atmósfera.
Sorprendentemente, los datos también muestran una clara falta de metano en cualquier parte de la atmósfera. Aunque el lado diurno es demasiado caluroso para que exista metano (la mayor parte del carbono debería estar en forma de monóxido de carbono), el metano debería ser estable y detectable en el lado nocturno, más fresco.
«El hecho de que no veamos metano nos dice que WASP-43b debe tener velocidades de viento que alcanzan unas 5.000 millas por hora», explicó Barstow. «Si los vientos mueven el gas del lado diurno al nocturno y viceversa lo suficientemente rápido, no hay tiempo suficiente para que las reacciones químicas esperadas produzcan cantidades detectables de metano en el lado nocturno».
El equipo cree que debido a esta mezcla impulsada por el viento, la química atmosférica es la misma en todo el planeta, lo que no era evidente en trabajos anteriores con Hubble y Spitzer.
La observación MIRI de WASP-43 b se realizó como parte de los programas Webb Early Release Science, que brindan a los investigadores un amplio conjunto de datos sólidos y de acceso abierto para estudiar una amplia gama de fenómenos cósmicos.