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Desinflando planetas: pérdida de helio en la atmósfera de Wasp-107b

El hidrógeno y el helio son los dos elementos más abundantes en nuestro Sistema Solar (y en el Universo como un todo). Son los principales constituyentes de nuestro Sol y de la atmósfera de nuestros gigantes gaseosos. Incluso la Tierra tiene cantidades menores de helio en la parte superior de la atmósfera. Debido a que estos elementos son tan comunes, también esperamos que los exoplanetas gigantes gaseosos tengan una gran abundancia de hidrógeno y helio en sus atmósferas. De hecho, en el año 2000, Seager y Sasselov predijeron que deberíamos ser capaces de observar helio y otros átomos en las atmósferas de estos planetas en el futuro cercano.

Si bien hemos detectado directamente hidrógeno en las atmósferas de un puñado de exoplanetas, el helio continua siendo elusivo. Esto no quiere decir que esos planetas no están compuestos de helio, sino que este es simplemente difícil de detectar. Al ser un gas noble, el helio es difícil de excitar a diferentes niveles atómicos, lo cual se requiere para que ocurra la emisión o la absorción. Incluso entonces, el helio tiene solo unas pocas líneas espectrales que podemos observar. Más aun, si el gas es difuso (o sea, que tiene baja densidad), la señal podría no ser lo suficientemente fuerte para que podamos observarla, incluso si la absorción/emisión está ocurriendo. Debido a estas dificultades, requerimos dos condiciones para una detección de helio:

  • El planeta debería recibir una gran cantidad de fotones ultravioleta (UV) energéticos de su estrella para poder poblar los niveles excitados de un átomo de helio.
  • El planeta también debería tener una gran cantidad de helio en la parte superior de su atmósfera donde puede interactuar con estos fotones a la vez que está en la región de la atmósfera que es transparente.  Una atmósfera opaca bloquearía cualquier señal de helio que pudiera llegarnos.

Hay varios exoplanetas que cumplen estos criterios, y aun así, ninguna detección de helio — hasta que llegó Wasp-107b. ¡Dieciocho años después de que la presencia de helio fuera predicha en las atmósferas de los exoplanetas, los autores del artículo de hoy finalmente fueron capaces de lograr la primera detección de helio en la atmósfera de un exoplaneta!

Wasp-107b: El blanco perfecto

Wasp-107b es un Júpiter caliente altamente inflado con un radio similar al de Júpiter pero con solo el 12% de su masa. Orbita cerca de una estrella muy activa cada 5.7 días, lo que lo pone muy cerca y justo en el camino de un gran número de fotones UV. Wasp-107b solo necesita una significativa cantidad de helio en su extensa atmósfera para ser el blanco perfecto.

Los autores usaron espectroscopía de transmisión (un método detallado en este Astrobite en inglés), tomada por el Telescopio Espacial Hubble (HST, por sus siglas en inglés), para hacer esta detección. La figura 1 muestra una gráfica del espectro de transmisión de este planeta, el cual también contiene rasgos anchos de absorción de agua. En todo caso, alrededor de una longitud de onda de 10 830 angstroms, hay una pico estrecho que corresponde a helio en la parte superior de la atmósfera. Usando modelos atmosféricos, los autores determinaron que la absorción de agua esta ocurriendo a niveles de presión de varios milibars (10⁻³ bars). ¡La absorción de helio, por otro lado, ocurre a presiones de alrededor de 1 nanobars (10⁻⁹ bars)! (Para referencia, la presión de la estratosfera de la Tierra es de alrededor de 1 milibar).

Figura 1: Espectro de transmisión de Wasp-107b. Los puntos  color verde azulado son los que observaron los autores, mientras que los negros son puntos de otro artículo (Kreidberg et al. 2018) que observaron en longitudes de onda diferentes la atmósfera de Wasp-107b. La línea roja es un modelo que asume que los rasgos de absorción se deben a agua. El punto azul con la línea café representa la detección de helio y el subsecuente modelo de la línea. Este modelo ocurre a una altitud relativa mucho mayor que la del agua, lo que ilustra que se trata de helio por encima de la capa de agua de la atmósfera. (Figura 1 en el artículo original).

¿Qué puede decirnos el helio acerca de la atmósfera de Wasp-107b?

A partir de sus modelos, los autores también descubrieron que a estas bajas presiones, no solo hay helio siendo excitado por fotones estelares, sino también siendo arrancado del planeta. Wasp-107b está perdiendo su atmósfera a una tasa de 0.1-4% de su masa total cada millardo de años. El helio mismo está siendo barrido a velocidades de cientos de kilómetros por segundo. A estas velocidades, Wasp-107b no tiene oportunidad de desarrollar una cola espiral como la de un cometa, similar a lo que hemos visto alrededor de otros planetas. En lugar de eso, tal como se muestra en la figura 2, el helio está siendo llevado directamente lejos del planeta.

Figura 2: Los parámetros del modelo de helio se muestran en café en la figura 1. A  la izquierda se muestra la densidad numérica de helio en diferentes estados (líneas azules). El estado singlete del helio es el estado más bajo, mientras que el estado excitado en este modelo es el triplete de helio. Los autores también incluyeron helio ionizado, un estado que ocurre si el helio pierde electrones (líneas rojas). Estas densidades se extienden por varios órdenes de magnitud incluso a distancias de 8 radios planetarios. La densidad del estado singulete decrece más rápido mientras es constantemente convertido al estado triplete desde el estado ionizado. El panel derecho ilustra la “cola” de helio de Wasp-107b en azul, conforme el planeta orbita su estrella. En lugar de una cola espiral que se mueve junto con la órbita, esta cola es orientada completamente hacia atrás del planeta. (Figura 4 en el artículo original).

¿Perderá su atmósfera algún día Wasp-107b y se convertirá en cambio en un núcleo de roca estéril orbitando una estrella? Futuros modelos y observaciones de mayor resolución son requeridos para contestar esta pregunta. Aun así, con esta detección de helio, los autores han puesto los cimientos de una nueva herramienta para observar la alta atmósfera de exoplanetas. Con el potencial de lograr detecciones de helio, ya sea con nuestros actuales instrumentos de alta resolución en tierra, el HST, o el futuro Telescopio Espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), estamos posicionados para explorar nuevas regiones de  atmósferas de exoplanetas y entender mejor el proceso de escape en los planetas calientes.

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  1. Pingback: Mundos infernales: analizando la atmósfera de un Júpiter ultra caliente | Astrobites en español - 17/07/2019

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