El agua atmosférica perdida en los “hot Jupiters” estaría oculta por nubosidad

En el año 1995 se descubrió el primer planeta orbitando una estrella similar al Sol, 51 Pegasi B. Fue este exoplaneta el que dio origen al término hot Jupiter: exoplanetas gigantes gaseosos, similares a nuestro más conocido Júpiter, pero que se ubican mucho más cerca de su estrella de lo que Júpiter se encuentra del Sol.

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Representación artística de un hot Jupiter. Imagen vía Discovery News.

Desde entonces se han descubierto más de 2000 exoplanetas, y se cree que cerca de un 1% de las estrellas poseen hot Jupiters orbitando a su alrededor. Pero había algo extraño en estos masivos exoplanetas, que confundía a los astrónomos: según los modelos de formación de planetas que existen actualmente, los hot Jupiters deberían tener agua en sus atmósferas, pero los exoplanetas de este tipo observados tenían valores de agua atmosférica mucho menores a lo que los modelos indicaban. Esto implicaría que los modelos de formación de planetas estarían incorrectos, y que deberían ser reformulados.

Un nuevo estudio, publicado a mediados de diciembre en Nature, combina observaciones del Telescopio Espacial Hubble y del Telescopio Espacial Spitzer. A partir de éstas, sugiere que el agua sí está presente en las atmósferas los hot Jupiters en las cantidades esperadas: sólo se encontraría oculta por nubosidad compuesta de otros elementos químicos.

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En búsqueda del agua perdida

El hecho de que los hot Jupiters se encuentren tan cerca de su estrella (en promedio, se ubican más cerca de su estrella que Mercurio del Sol) los hace muy difíciles de observar. Sólo unos pocos han podido observarse utilizando el Telescopio Espacial Hubble, y estas observaciones abarcan un rango de longitudes de onda muy limitado: el Hubble observa sólo en el rango visible del espectro electromagnético (es decir, la luz como la detectamos con nuestros ojos), y secciones pequeñas del ultravioleta y del infrarojo. A partir de los datos de este telescopio, parecía que un gran número de estos exoplanetas presentaban una cantidad de agua atmosférica mucho menor a la esperada según los modelos. En algunos, la cantidad de agua en su atmósfera parecía ser practicamente inexistente.

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El Hubble sólo puede captar luz que se encuentre en el rango visible del espectro electromagnético, y regiones pequeñas del ultravioleta y del infrarojo. Imagen vía HubbleSite.

Esto presentaba un enorme problema para los científicos: los modelos de formación planetaria actuales proponen que este tipo de planetas se forman en atmósferas que contienen agua. El hecho de que los hot Jupiters se hubiesen formado en ambientes sin agua atmosférica implicaría que todas las hipótesis actuales de cómo se forman los planetas estarían incorrectas, y sería necesario reformularlas. Esto, por supuesto, no resultaría una noticia muy agradable.

Sin embargo, había otra posible otra explicación: el agua podría simplemente estar “oculta” bajo las atmósferas de los planetas. Con esto, nos referimos a que el agua puede estar presentes en zonas de la atmósfera que las observaciones previas no la alcanzaban a detectar, por las longitudes de onda utilizadas.

Para probar esto, los científicos del estudio escogieron diez hot Jupiters que presentaban condiciones favorables para ser observados, y los estudiaron utilizando dos telescopios espaciales: a los datos previamente obtenidos por el Hubble, se sumaron observaciones realizadas con el Telescopio Espacial Spitzer.

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Representación artística de los 10 hot Jupiters observados por el Hubble y el Spitzer para esta investigación. Imagen vía ESA.

Distintas nubes, distintas longitudes de onda

El análisis de las atmósferas de los exoplanetas se hace a través de la observación de sus tránsitos. Se le llama tránsito al paso del planeta frente a su estrella, desde nuestra perspectiva aquí en la Tierra.

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En un tránsito planetario, vemos al planeta pasar por frente a su estrella. Imagen vía NASA.

Durante un tránsito, la luz proveniente de la estrella pasa a través la atmósfera del planeta, y los elementos químicos que componen esta atmósfera absorben ciertos fotones, a distinta longitud de onda, que componen luz de esta estrella. El paso de la luz emitida por la estrella a través de esta atmósfera con distintos componentes genera lo que se llama un espectro, en el cual cada línea representa un diferente elemento químico. Cada elemento químico tiene líneas conocidas que aparecen en los espectros. Estos espectros son el equivalente a la huella digital de un elemento químico. Es por eso que, cuando nos llega la luz proveniente de dicha estrella durante el tránsito, se pueden analizar los espectros y así determinar con exactitud los elementos químicos presentes en la atmósfera del planeta.

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Cuando un exoplaneta pasa frente a su estrella, la luz de la estrella que atraviesa la atmósfera del planeta se ve afectada por los distintos elementos químicos que la componen. Cada elemento genera una “firma” única en la luz que recibimos. Esto permite determinar la composición de la atmósfera del planeta. Imagen vía ExoClimes.com

Lo que ocurría con estos hot Jupiters era que los espectros de algunos indicaban la presencia de agua en la atmósfera, pero los espectros de otros no mostraban señales de presencia de agua.

Los fotones que pueden ser detectados por el Hubble, es decir, en su mayoría los que corresponden al rango visual (o óptico) del espectro electromagnético, no son lo suficientemente energéticos como para atravesar completamente la atmósfera del planeta. El Spitzer, por otro lado, detecta fotones en el rango llamado infrarojo lejano, que pueden atravesar la atmósfera sin problemas. Esta diferencia entre las observaciones de ambos telescopios genera que cada uno vea el mismo planeta de tamaño diferente: el Hubble ve un planeta muy grande, ya que sólo detecta fotones que pasen por fuera de la atmósfera del planeta. El Spitzer ve al planeta más pequeño, ya que puede “ver” a través de la atmósfera. Así se detectó que algunos de estos hot Jupiters tienen atmósferas muy gruesas y densas, mientras que otros tienen atmósferas mucho más delgadas:

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El Hubble observa sólo los fotones en el rango visual, es decir, que no pueden atravesar la atmósfera. El Spitzer observa fotones en el infrarojo lejano, que pueden atravesar la atmósfera sin problemas. Esto genera que los dos telescopios vean a un mismo planeta de distinto tamaño.

Los científicos del equipo descubrieron que los planetas que en las primeras observaciones del Hubble indicaban tener los niveles esperados de agua son los mismos que tienen atmósferas muy delgadas. Los planetas que presentaban niveles de agua muy bajos son, precisamente, los que poseen atmósferas más gruesas y nubosas.

Al encontrarse a temperaturas tan altas, los hot Jupiters no poseen nubes de vapor de agua en su atmósfera, como ocurre en la Tierra. Las atmósferas de este tipo de planetas recién están comenzando a estudiarse, pero son muy exóticas, y podrían incluso estar formadas por nubes de gotas de hierro líquido. Sea cual sea su composición, se sabe que esta nubosidad compuesta por distintos elementos pesados es capaz de ocultar la “firma” química del agua en los espectros. El agua atmosférica no es escasa en estos hot Jupiters: simplemente, se encuentra oculta a nuestros telescopios, debido a otros tipos de nubosidad presentes en la atmósfera de dichos planetas.

Si bien las atmósferas de los hot Jupiters seguirán siendo objeto de observación y estudio, estos resultados muestran que los modelos de formación planetaria seguirían siendo correctos, pero que aún nos falta mucho por aprender de estos nuevos mundos que recién se han comenzado a descubrir.

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