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Una mirada a la atmósfera de WASP-33b

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito:

Ilustración artística de WASP-33b con su estrella

Imaginen un mundo donde, dependiendo de dónde se encuentren, podrían experimentar un año entero de luz solar o de oscuridad perpetua. Esta es la realidad en WASP-33b, un Júpiter ultra-caliente situado a unos 380 años luz en la constelación de Andrómeda.

Con un período orbital de aproximadamente 1.22 días terrestres, WASP-33b tiene una rotación sincrónica con su estrella. Esto significa que el tiempo que el planeta tarda en rotar sobre su eje es aproximadamente el mismo que el tiempo que tarda en completar una órbita alrededor de su estrella. Como resultado, un lado del planeta está constantemente bañado en luz estelar, mientras que el otro lado permanece en la oscuridad. Este entorno único da lugar a características químicas y físicas fascinantes en el planeta, y en el astrobito de hoy te contamos cómo un equipo de investigación utilizó observaciones desde telescopios terrestres para investigar este intrigante exoplaneta.

Júpiter ultra calientes

Es posible que hayas escuchado hablar de los Júpiter calientes, exoplanetas masivos y gaseosos del tamaño de Júpiter que orbitan muy cerca de sus estrellas anfitrionas, casi como si colocáramos a Júpiter en la órbita de Mercurio en nuestro sistema solar. Los Júpiter ultra calientes son similares, pero orbitan estrellas mucho más calientes y grandes, generalmente estrellas de tipo F y A, en lugar de estrellas similares a nuestro Sol (de tipo G y K). Esta característica, junto con su corta distancia entre la estrella y el planeta, crea condiciones de temperatura extremas en estos exoplanetas.

Secuencia principal de estrellas. El Sol (K-type star) tiene una temperatura de ~6000K. Las estrellas tipo A y F tienen temperaturas mayores a los 6000K. Imagen adapatad de https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/main-sequence-stars

De hecho, los Júpiter ultra calientes pueden alcanzar temperaturas asombrosas que típicamente superan los 2000 K; ¡eso es lo suficientemente caliente como para derretir hierro! Pero lo que es aún más fascinante es que, dado que una mitad del planeta siempre está mirando hacia su estrella y la otra en la dirección opuesta, hay una gran diferencia de temperatura de hasta 1000 K entre el lado diurno y el nocturno del planeta. Esta dramática variación de temperatura tiene efectos significativos en la química que experimentan estos planetas.

Durante el abrasador día, el intenso calor puede descomponer las moléculas en sus componentes atómicos básicos, liberando diferentes átomos e incluso vaporizando elementos como el sodio (Na) y el potasio (K). Mientras tanto, las condiciones “más frías” de la noche permiten que estos átomos se recombinen en nuevas moléculas.

La presencia de estos elementos vaporizados en la atmósfera del lado diurno conduce a otra característica intrigante de los Júpiter ultra calientes: las inversiones térmicas durante el día. En la Tierra, las temperaturas generalmente disminuyen con la altitud; por ejemplo, las temperaturas son mayores a nivel del mar que en la cima del Everest. Sin embargo, en el lado diurno de los Júpiter ultra-calientes ocurre lo contrario. A medida que se asciende en la atmósfera, la temperatura en realidad aumenta. ¿La razón de esto? Todo se reduce a la espectroscopia.

Características de absorción y emisión

En la abrasadora atmósfera del lado diurno de los Júpiter ultra calientes, átomos como el sodio y el potasio se mueven libremente, lo que les permite absorber radiación de alta energía de la estrella. Cuando estos átomos absorben esta radiación—principalmente luz ultravioleta—se excitan y luego pueden liberar esa energía de vuelta a la atmósfera, típicamente en forma de luz infrarroja. Este mecanismo ayuda al planeta a retener calor en su atmósfera superior, lo que conduce a temperaturas crecientes a medida que se asciende en la atmósfera.

La historia es diferente en el lado nocturno. Las temperaturas “más frías” en la atmósfera fomentan la recombinación de átomos en moléculas, lo que afecta directamente la cantidad de radiación que se emite de vuelta a la atmósfera. Las moléculas tienen requisitos de emisión diferentes a los de los átomos libres, que pueden no cumplirse con la cantidad de radiación disponible en el lado nocturno. Esto significa que, aunque se emite algo de radiación de vuelta a la atmósfera en la noche, no es suficiente para crear una atmósfera térmicamente invertida.

Durante el día, las moléculas en la atmósfera de los Júpiter ultra-calientes se disocian y se excitan espectroscópicamente, emitiendo radiación de vuelta a la atmósfera y calentandola. Durante la noche, las temperaturas “más frías” permiten la recombinación de moléculas, lo que lleva a emisiones menos intensas.

Estas diferencias espectroscópicas pueden decirnos mucho sobre la química y la física del planeta. Las atmósferas no invertidas generalmente se caracterizan por fuertes señales de absorción, mientras que las atmósferas invertidas presentan fuertes señales de emisión.

Utilizando estos criterios, el equipo detrás del artículo de hoy pudo confirmar la estructura atmosférica de WASP-33b: una inversión de temperatura en el lado diurno, caracterizada por fuertes señales de emisión de especies químicas como CO, Fe, OH y H2O, y una atmósfera no invertida en el lado nocturno, como lo demuestra la detección de CO en absorción pero no en emisión.

Observaciones usando telescopios terrestres

Con telescopios como el Telescopio Espacial James Webb reescribiendo actualmente nuestro enfoque para estudiar exoplanetas, es normal pensar que los telescopios terrestres podrían volverse obsoletos en algún momento. Sin embargo, esta no es la realidad en absoluto. Los telescopios terrestres pueden ofrecer una resolución increíble y superar algunas de las limitaciones que enfrentan los telescopios espaciales. Esto es precisamente lo que este grupo de investigación demostró con su estudio atmosférico de WASP-33b.

Para estudiar tanto la atmósfera del lado diurno como la del lado nocturno de WASP-33b, o de cualquier otro Júpiter caliente o ultra-caliente, se necesita analizar cómo cambia la luz del planeta a medida que este se mueve a lo largo de su órbita. Realizar estas observaciones es complejo y requiere de muchos recursos computacionales.

Las observaciones desde la Tierra, por otro lado, pueden ayudar a aliviar parte de esta complejidad. Al observar el planeta justo antes y después de que transite frente a su estrella (como se ve desde la Tierra), podemos analizar la luz emitida directamente por el planeta y distinguirla de la de la estrella. Esto nos permite vislumbrar lo que ocurre en el lado nocturno del planeta, sin necesidad de realizar observaciones a lo largo de toda la órbita planetaria.

Fases orbitales de WASP-33b. El lado nocturno del exoplaneta puede ser observado utilizando telescopios terrestres cuando transita frente a su estrella. Figura adaptada de la Figura 1 en el artículo principal.

El equipo detrás de este artículo aprovechó este fenómeno para observar el lado nocturno de WASP-33b durante cinco noches terrestres utilizando el Spectro-Polarimètre Infra-Rouge en el Telescopio Canadá-Francia-Hawái. Estas observaciones les permitieron detectar la absorción molecular de CO en el lado nocturno de WASP-33b, confirmando una atmósfera sin inversión térmica. Hasta la fecha, esta es la detección más sólida de emisión térmica nocturna desde un exoplaneta realizada desde un telescopio terrestre.

Una historia forjada en condiciones extremas

Los Júpiter ultra-calientes presentan algunos de los entornos más extremos y fascinantes de nuestro universo. El marcado contraste entre su abrasador lado diurno y su relativamente “más frío” lado nocturno crea condiciones químicas únicas que revelan mucho sobre estos planetas. Al examinar las atmósferas de estos mundos abrasadores, podemos conocer más sobre su estructura térmica y cómo se transporta el calor de una mitad del planeta a la otra. Este movimiento influye considerablemente en los tipos de moléculas y especies químicas que podemos observar durante el día y la noche.

Como siempre, la espectroscopia es nuestra principal herramienta para explorar estos mundos lejanos, y el artículo de hoy ilustra los asombrosos hallazgos que podemos obtener al analizar la luz proveniente de exoplanetas. Además, la investigación sobre WASP-33b enfatiza las contribuciones esenciales de los telescopios terrestres en la astronomía. Al final del día, es el trabajo conjunto de las observaciones terrestres y espaciales lo que nos permite descubrir por completo las complejas historias detrás de exoplanetas como WASP-33b.

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