Agua en el desierto: el oasis de TOI-674b

• Título original: A Mirage or an Oasis? Water Vapor in the Atmosphere of the Warm Neptune TOI-674 b.
• Autores/as: Jonathan Brande, Ian J. M. Crossfield, Laura Kreidberg, Antonija Oklopčić, Alex S. Polanski, Travis Barman, Björn Benneke, Jessie L. Christiansen, Diana Dragomir, Daniel Foreman-Mackey, Jonathan J. Fortney, Thomas P. Greene, Andrew W. Howard, Heather A. Knutson, Joshua D. Lothringer, Thomas Mikal-Evans, Caroline V. Morley.
• Institución del primer autor: Departmentamento de Física y Astronomía, University of Kansas, 1082 Malott, 1251 Wescoe Hall Dr., Lawrence, KS 66045, USA.
• Etiquetas: atmósferas planetarias, enanas rojas, espectroscopía, exoplanetas, jupiter calientes.
• Estado de la publicación: enviado para publicación en la American Astronomical Society, disponible en arXiv.org.

¿Podemos estudiar las atmósferas de los exoplanetas pese a su gran distancia? Usando tránsitos planetarios, la respuesta es que sí. Si el punto de vista lo favorece, un exoplaneta orbitando alrededor su estrella puede pasar entre nosotros y su estrella una vez por revolución, y cuando esto ocurre se aprecian dos fenómenos: el primero y el más fácil de observar es una disminución de la luz de la estrella por culpa del eclipse, mientras que el segundo, más sutil, es la absorción de fotones de luz con ciertas longitudes de onda cuando estos atraviesan la atmósfera del planeta. Esto es debido a que los compuestos químicos tienden a absorber fotones con energías muy específicas, de forma que si uno divide un haz de luz en todos sus colores, como en una especie de arco iris, podrá identificar franjas oscuras ahí dónde los compuestos químicos han absorbido sus fotones favoritos. Estas son las llamadas líneas espectrales de absorción, y son únicas para cada compuesto. En el caso de una atmósfera exoplanetaria, esto se traduce en disminuciones mayores o menores de luz en diferentes longitudes de onda durante un tránsito, y de esta manera los astrónomos y las astrónomas pueden identificar componentes químicos como el agua, el metano o el dióxido de carbono.

¿Y qué información nos da la composición de una atmósfera exoplanetaria? Hoy traemos la historia de TOI-674b, un planeta improbable que orbita en torno a una estrella enana roja, donde la detección de agua en su atmósfera da pistas sobre su misteriosa formación.

TOI-674b: un planeta improbable

TOI-674 es una estrella enana roja a unos 150 años luz de nosotros, mucho menos masiva que el Sol y apenas emitiendo en un 2,4 % de su luminosidad. Pero algo interesante se cuece (literalmente) a su alrededor. En 2020, la misión TESS (Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito) descubrió un planeta 24 veces más pesado que la Tierra y 5 veces mayor orbitando a su alrededor cada 1.98 días. Este es TOI-674b. A una distancia de 0.114 unidades astronómicas de su estrella, se trata de un gigante de gas caliente que recibe 40 veces más radiación solar que la Tierra.

Y precisamente esto lo hace un planeta muy excepcional, pues esta configuración planetaria es muy atípica y difícil de explicar debido a un fenómeno llamado el Desierto de Neptunos. Este consiste de la ausencia de exoplanetas de peso similar a Neptuno (equivalente a 17 Tierras) en órbitas más cortas de 4 días. Se postula que la escasez de exoplanetas gaseosos en esta región del diagrama masa-periodo se debe a la radiación ionizante de la estrella madre durante su formación, que evaporaría sus atmósferas. Una escasez que TOI-674b contradice estando justo en medio de esta región, convirtiéndolo en un oasis del Desierto de Neptunos (Figura 1). Así pues, estudiar la composición de la atmósfera TOI-674b es el objetivo del equipo de investigación, ya que dependiendo de los resultados, se podría decir si el planeta se formó en una parta más externa del sistema planetario y luego migró hacia el interior o no.

La atmosfera de TOI-674b: agua en el oasis

El equipo de investigación observó tres tránsitos de TOI-674b con el Telescopio Espacial Hubble en julio de 2020, dividió la luz de la estrella durante el tránsito en diferentes longitudes de onda, y estudió si algunas de ellas presentaban más absorción que otras, lo que sería indicativo de la presencia de elementos químicos en la atmósfera. Lo que vieron pareció indicar que sí, pero sin mucha claridad debido a la alta incertidumbre de las medidas. Así pues, simularon la atmósfera planetaria hasta que dieron el espectro que se adapta mejor a las observaciones. Estas simulaciones incluyeron parámetros como las abundancias de agua, metano, dióxido de carbono, monóxido de carbono, amoniaco, la gravedad superficial, la temperatura, el radio planetario y la presencia de nubes, todo ello factores que afectan al espectro de luz observado.

Los resultados, presentados en la Figura 2, tienen también una gran incertidumbre, ya que muchos modelos encajan dentro de la incertidumbre de los datos, pero todos los modelos exitosos tienen la presencia de agua como nexo común. Así pues, los autores claman la detección tentativa de agua en la atmósfera de TOI-674b. Además, también confirmaron un radio planetario de 5,2 radios terrestres, una temperatura superficial alrededor de 600 K, y una gravedad superficial de 8 m/s². Sin embargo, reconocen que no pueden hacer ninguna afirmación sobre las abundancias de los otros componentes debido a las incertidumbres y el pequeño tamaño la región de longitudes de onda exploradas, por lo que no podemos saber mucho sobre el origen del planeta. Pese a todo, esto no significa que la esperanza esté perdida.

El Telescopio Espacial James Webb al rescate

No podíamos tener un artículo sobre atmósferas exoplanetarias sin mencionar el recién lanzado Telescopio Espacial James Webb. Ahora veremos una parte de su gran potencial, y por qué va a ser esencial para los futuros estudios de TOI-674b.

Una de las promesas estrella del Telescopio Webb son las capacidades espectroscópicas de sus cámaras NIRISS (Near-InfraRed Imager and Slithless Spectrograph, en inglés) y NIRSpec (Near-InfraRed Spectrograph, en inglés). Estas cámaras serán capaces de observar la luz infrarroja de TOI-674 durante el tránsito planetario y dividir la señal en muchas más longitudes de onda y con más resolución que el Telescopio Hubble. Además, debido a su diámetro 3 veces mayor que el de Hubble, podrá incrementar la cantidad de luz recibida por 9, lo que significa que la misma cantidad de información va a ser captada en menos tiempo y el espectro va a ser mucho más nítido. La Figura 3 muestra el alcance de las medidas hechas con el Telescopio Hubble y lo compara con lo que el Telescopio Webb podrá observar en un futuro próximo: no hay color (broma intencional). No solamente la observación del Hubble se podrá repetir con mucha más claridad, sino que se harán visibles otras longitudes de onda donde se esperan señales muy significativas de otros compuestos químicos aparte del agua.

Así pues, puede que más pronto que tarde, será el Telescopio Webb quien acabe de desvelar los secretos del misterioso planeta TOI-674b.