Un nuevo estudio revela la estructura de los vientos violentos a 1.300 años luz de distancia

El planeta WASP-121B es extremo. Es un gigante de gas casi dos veces más grande que Júpiter orbitando extremadamente cerca de su estrella, 50 veces más cerca de lo que la tierra lo hace alrededor del sol. WASP-121B está tan cerca de su estrella que las fuerzas de marea han bloqueado su rotación en una «resonancia»: el planeta siempre muestra la misma cara a su estrella, como la luna a la tierra. Por lo tanto, un lado de WASP-121B se hornea constantemente en la luz, mientras que el otro está en la noche perpetua. Esta diferencia causa grandes variaciones en la temperatura en todo el planeta. Puede ser más de 3.000 ° C en un lado y dejar caer 1,500 ° C en el otro.

Este enorme contraste de temperatura es la fuente de vientos violentos, que soplan varios kilómetros por segundo, que intentan redistribuir la energía de día a noche. Hasta ahora, teníamos que adivinar la fuerza y ​​la dirección de los vientos con mediciones indirectas, como las mediciones de la temperatura del planeta. En los últimos años, con la llegada de nuevos instrumentos en telescopios gigantes, hemos podido medir directamente la velocidad del viento de ciertas exoplanetas, incluido WASP-121B.

En Nuestro estudio publicado en la revista Naturaleza Eso fue llevado a cabo por mi colega, Julia Seidel, no solo miramos la velocidad del viento en un exoplaneta, sino también cómo estos vientos varían con la altitud. Pudimos medir por primera vez que los seres en las capas más profundas de la atmósfera son muy diferentes de las de las altitudes más altas. Dicho de esta manera: en la tierra, los vientos que soplan unas pocas docenas de kilómetros por hora ya hacen que sea difícil andar en bicicleta; En WASP-121B, el pedaleo sería imposible, porque los vientos son cien veces más rápidos.

Nuestras mediciones revelan el comportamiento de una zona fundamental de la atmósfera que forma el vínculo entre la atmósfera profunda, generalmente encuestada por telescopios como el telescopio espacial James Webb, y las zonas externas donde la atmósfera se escapa al espacio, volado por el viento que proviene de su estrella.

¿Cómo medimos la atmósfera de un planeta a millones de miles de millones de kilómetros de distancia?

Para hacer nuestras mediciones, utilizamos uno de los espectrógrafos más precisos de la Tierra, montados en el telescopio más grande disponible para nosotros: Espresso en el Observatorio Europeo del Sur (ESO) Telescopio muy grande (VLT), ubicado en el desierto de Atacama en Chile. Para recolectar tanta luz como sea posible, combinamos la luz de los cuatro telescopios de 8 metros de diámetro de VLT. Gracias a esta combinación, que todavía se está probando, recolectamos tanta luz como un telescopio de 16 metros de diámetro, que sería más grande que cualquier telescopio óptico en la Tierra.

El espectrógrafo de café espresso ultra preciso nos permitió separar la luz del planeta en 1.3 millones de longitudes de onda. Esto nos permite observar tantos colores en el espectro visible. Esta precisión es necesaria para detectar diferentes tipos de átomos en la atmósfera del planeta. Esta vez, estudiamos cómo tres tipos diferentes de átomos: la luz de absorción de la estrella: hidrógeno, sodio y hierro (todos en estado gaseoso, dadas las temperaturas muy altas).

Al medir la posición de estas líneas espectrales muy precisamente, pudimos medir directamente la velocidad de estos átomos. El efecto Doppler nos dice que un átomo que viene hacia nosotros absorberá más luz azul, mientras que un átomo que se aleja de nosotros absorberá más luz roja. Al medir la longitud de onda de absorción de cada uno de estos átomos, tenemos tantas medidas diferentes de la velocidad del viento en este planeta.

Encontramos que las líneas de los diferentes átomos cuentan diferentes historias. El hierro se mueve a 5 kilómetros por segundo desde el punto subestelar (la región del planeta más cercana a su estrella anfitriona) hasta el punto anti-estelar (el más distante) de una manera muy simétrica. El sodio, por otro lado, se divide en dos: algunos de los átomos se mueven como el hierro, mientras que los otros se mueven en el ecuador directamente de este a oeste cuatro veces más rápido, a una velocidad asombrosa de 20 kilómetros por segundo. Finalmente, el hidrógeno parece moverse con la corriente este-oeste del sodio, pero, también, verticalmente, sin duda, lo que le permite escapar del planeta.

Para conciliar todo esto, calculamos que estos tres átomos diferentes están, de hecho, en diferentes partes de la atmósfera. Mientras que los átomos de hierro se encuentran en las capas más profundas, donde se espera la circulación simétrica, el sodio y el hidrógeno sondeamos capas mucho más altas, donde la atmósfera del planeta es volada por el viento que proviene de su estrella huésped. Este viento estelar, combinado con la rotación del planeta, probablemente transporta el material asimétricamente, con una dirección preferencial dada por la rotación del planeta.

¿Por qué estudiar las atmósferas de los exoplanetas?

WASP-121B es uno de esos planetas gaseosos gigantes con temperaturas de más de 1,000 ° C que se conocen como «jupiters calientes». La primera observación de estos planetas por Michel Mayor y Didier Queloz (que más tarde les valió un Premio Nobel de Física) fue una sorpresa en 1995, particularmente porque los modelos de formación planetaria predijeron que estos planetas gigantes no podían formarse tan cerca de su estrella. La observación del alcalde y Queloz nos hicieron darnos cuenta de que los planetas no necesariamente se forman donde se encuentran actualmente. En cambio, pueden migrar, es decir, moverse en su juventud.

¿Qué tan lejos de su estrella forma «Jupiters Hot Jupiters»? ¿Sobre qué distancias migran estos objetos en su infancia? ¿Por qué Júpiter en nuestro sistema solar no migró hacia el sol? (Tenemos suerte de no hacerlo, porque habría enviado a la Tierra a nuestra estrella al mismo tiempo).

Algunas respuestas a estas preguntas pueden estar en la atmósfera de los exoplanetas, que exhiben rastros de las condiciones de su formación. Sin embargo, las variaciones en la temperatura o la composición química dentro de cada atmósfera pueden sesgar radicalmente la abundancia de mediciones que estamos tratando de tomar con grandes telescopios como James Webb. Para explotar nuestras mediciones, primero debemos comprender cuán complejas son estas atmósferas.

Para hacer esto, necesitamos comprender los mecanismos fundamentales que rigen la atmósfera de estos planetas. En el sistema solar, los vientos se pueden medir directamente, por ejemplo, observando qué tan rápido se mueven las nubes. En Exoplanets, no podemos ver ningún detalle directamente.

En particular, la órbita de «jupiters» tan cerca de sus estrellas que no podemos separarlas espacialmente y tomar fotos de los exoplanetas. En cambio, entre los miles de exoplanetas conocidas, seleccionamos aquellos que tienen el buen gusto para pasar periódicamente entre su estrella y nosotros. Durante este «tránsito», la luz de la estrella se filtra por la atmósfera del planeta, lo que nos permite medir los signos de absorción por diferentes átomos o moléculas. En general, los datos que obtenemos no son lo suficientemente buenos como para separar la luz que pasa por un lado del planeta del otro, y terminamos con un promedio de lo que la atmósfera ha absorbido. Como condiciones a lo largo de la extremidad atmosférica (es decir, la porción de atmósfera que rodea un planeta como se observa desde el espacio) puede variar drásticamente, interpretar el promedio final a menudo es un dolor de cabeza.

Esta vez, al usar un telescopio que, en efecto, es más grande que cualquier otro telescopio óptico en la Tierra, y combinándolo con un espectrógrafo extremadamente preciso, pudimos separar la señal absorbida por el lado este de la extremidad del planeta de la señal absorbida por el lado occidental. Esto nos permitió medir la variación espacial de los vientos en el planeta.

El futuro del estudio atmosférico de los exoplanetas

Actualmente, Europa está construyendo la próxima generación de telescopios, liderados por el telescopio extremadamente grande de la ESO, que está programado para 2030. El ELT tendrá un espejo de 30 metros de diámetro, el doble del tamaño del telescopio que obtuvimos combinando la luz de los cuatro telescopios de 8 metros de la VLT.

Este telescopio gigante reunirá detalles aún más precisos sobre las atmósferas de los exoplanetas. En particular, medirá los vientos en los exoplanetas más pequeños y más fríos que los «jupiters calientes».

Pero lo que todos realmente estamos esperando es la capacidad del ELT para medir la presencia de moléculas en la atmósfera de planetas rocosos que orbitan en la zona habitable de su estrella, donde el agua puede estar presente en un estado líquido.

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