¡Hacia el próximo exoplaneta y más allá! La estrecha relación entre JWST, Hubble y Spitzer

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito: Título: The importance of optical wavelength data on atmospheric retrievals of exoplanet transmission spectra Autoría: Charlotte Fairman, Hannah R. Wakeford, y Ryan J. MacDonald  Institución de la primera autora: HH Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, Reino Unido Estado: Aceptado para publicación en el Astronomical Journal.

El 25 de diciembre de 2021, la NASA lanzó el Telescopio Espacial James Webb (JWST) desde la Guayana Francesa, iniciando una nueva era en nuestra comprensión de los exoplanetas y mucho más. En los casi dos años transcurridos desde que JWST entró en pleno funcionamiento, este ha facilitado grandes descubrimientos, desde ofrecer evidencia directa de procesos fotoquímicos en atmósferas de exoplanetas hasta revelar imágenes sin precedentes del universo, todo gracias a su asombrosa resolución que sobrepasa a la de sus antecesores Hubble y Spitzer. Sin embargo, investigadores e investigadoras de la Universidad de Bristol y la Universidad de Minnesota han descubierto que la combinación de las observaciones hechas con JWST y con los telescopios Hubble y Spitzer genera espectros atmosféricos de exoplanetas aún más completos. Este enfoque integrado ofrece una comprensión más sólida de los procesos químicos y físicos detrás de las atmósferas exoplanetarias, como veremos en el artículo de hoy.

¿Por qué estudiar las atmósferas de los exoplanetas?

Los exoplanetas son geniales, pero están muy, muy lejos. El más cercano, Próxima Centauri b, está aproximadamente a 4.2 años luz de distancia, lo que hace imposible cualquier idea de enviar una sonda o visitarlo. En cambio, la comunidad astronómica debe recurrir a métodos indirectos, como analizar la luz que pasa a través de sus atmósferas, para obtener información sobre estos mundos distantes.

Al estudiar la luz que se filtra a través de la atmósfera de un exoplaneta, es posible identificar las moléculas y las especies químicas que viven ahí. Esta información proporciona una gran cantidad de conocimientos sobre el exoplaneta, incluido su entorno físico y químico. Por ejemplo, en la Tierra, la presencia de ozono (O₃) en nuestra atmósfera revela mucho sobre nuestro planeta, desde las reacciones fotoquímicas que lo producen hasta la actividad biológica que suministra el oxígeno necesario para su formación. Recuerde que el ozono se produce en nuestra atmósfera mediante la siguiente reacción inducida por rayos UV: 2O₂ → O₃ + O. 

El mismo principio se aplica a los exoplanetas. Al examinar la composición molecular de la atmósfera de estos mundos distantes, se pueden inferir detalles cruciales sobre las condiciones planetarias, como posible actividad volcánica, tormentas eléctricas, géiseres, y otros procesos dinámicos. Pero ¿cómo identificar estas moléculas?

Huellas digitales moleculares

Las moléculas interactúan con la luz de varias maneras dependiendo de la longitud de onda. Cuando se exponen a la luz ultravioleta (UV) y visible (Vis), los electrones dentro de las moléculas pasan a niveles de energía más altos. La exposición a la luz infrarroja (IR), por otro lado, hace que los enlaces en las moléculas vibren de maneras muy específicas. Estas interacciones producen espectros únicos, que son conjuntos de bandas en las longitudes de onda en las que las moléculas absorben la luz. La Figura 1 muestra un ejemplo de cómo luce el espectro infrarrojo para el agua. La molécula de agua vibra de tres maneras diferentes cuando absorbe luz infrarroja: tiene dos estiramientos, uno asimétrico y otro simétrico, y también una vibración angular.

 

Los espectros creados por estas interacciones son como huellas digitales de cada molécula, ya que son únicas y específicas de cada estructura molecular. Al comparar observaciones atmosféricas de telescopios con espectros conocidos de varias moléculas, podemos determinar la composición química de la atmósfera y así obtener información sobre las condiciones del exoplaneta.

Combinando esfuerzos

Los telescopios están diseñados para observar un rango concreto de longitudes de onda de luz, y por ende diferentes tipos de interacciones moleculares. Por ejemplo, JWST y Spitzer se especializan en luz infrarroja, mientras que Hubble se centra en luz UV/Vis (Figura 2).

 

Tradicionalmente, la identificación de especies químicas en las atmósferas de exoplanetas se ha realizado utilizando datos de un solo telescopio, por ejemplo, espectros atmosféricos infrarrojos de JWST únicamente. Sin embargo, utilizando una base de datos de espectros atmosféricos de 14 exoplanetas, el artículo discutido en este astrobito demuestra que la combinación de observaciones de datos infrarrojos del JWST con observaciones UV/Vis del Hubble proporciona una imagen más completa de las atmósferas exoplanetarias. Este enfoque de múltiples longitudes de onda es particularmente útil para acotar los parámetros de nubes y aerosoles en la atmósfera y estimar la abundancia de metales alcalinos, donde el equipo encuentra mejoras de hasta un 30%.

La Figura 3 muestra la mediana y errores de 1-sigma de las abundancias de Na y K, y el parámetro de aerosoles (log(a)) para los 14 exoplanetas analizados en este estudio. Las líneas naranjas corresponden a observaciones realizadas en el infrarrojo únicamente, mientras que las líneas azul y violeta incluyen datos UV/Vis e infrarrojo. La figura muestra una sobreestimación de la abundancia de los metales alcalinos y una subestimación del parámetro de aerosoles cuando solo se consideran datos de infrarrojo (líneas naranjas). Sin embargo, al incluir los datos UV/Vis (líneas azul y violeta), estos parámetros son inferidos con una mayor precisión ya que el error 1-sigma es menor en las líneas azul y violeta que en la naranja.

Comprender cómo se comportan las nubes y aerosoles es clave en el estudio de las atmósferas de exoplanetas, dado que su presencia puede enmascarar las señales espectroscópicas de otras moléculas, y “falsear” las abundancias químicas que inferimos de los espectros. Por otro lado, la abundancia precisa de metales alcalinos (e.g., Na, K) se basa únicamente en datos UV/Vis. Esto es debido a que, a diferencia de la mayoría de las especies químicas, estos suelen existir como átomos individuales, por lo que carecen de vibraciones de enlace cuando interactúan con la luz infrarroja. Por tanto, estos metales sólo pueden detectarse a través de transiciones electrónicas con luz UV/Vis. Esto resalta la importancia de combinar observaciones de diferentes telescopios, ya que JWST, por ejemplo, apenas cubre una pequeña región del espectro UV/Vis.

Un trío de titanes

Sin lugar a dudas, el lanzamiento de JWST ha marcado un nuevo y emocionante capítulo en nuestro viaje a través de la exploración espacial. Con su innovadora resolución, ahora podemos explorar exoplanetas como nunca lo habíamos hecho. Sin embargo, Hubble y Spitzer siguen siendo pilares esenciales en la investigación astronómica contemporánea. Si JWST ya está logrando avances extraordinarios en las atmósferas de exoplanetas, ¡imagine los avances que podemos lograr combinando más observaciones de estos tres titanes astronómicos!