Gemini Norte detecta múltiples elementos que forman rocas en la atmósfera de un exoplaneta sumido en el infierno

June 14, 2023

La química del llamado “Júpiter caliente” proporciona información nueva sobre la formación de nuestro Sistema Solar

Utilizando el telescopio de Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, que opera NOIRLab de NSF y AURA, un equipo de astrónomos detectó diversos elementos formadores de rocas en la atmósfera de un exoplaneta del tamaño de Júpiter llamado WASP-76b. El planeta está tan peligrosamente cerca de su estrella que los elementos formadores de rocas, como el magnesio, calcio y níquel, se evaporan y se dispersan por toda su abrasadora atmósfera. Este intrigante perfil químico provee nuevos conocimientos sobre la formación de sistemas planetarios, incluido el nuestro.

El planeta WASP-76b es un mundo extraño. Ubicado a 634 años luz de la Tierra en dirección a la constelación de Piscis, el exoplaneta similar a Júpiter orbita su estrella anfitriona a una distancia muy estrecha: aproximadamente 12 veces más cercana que la distancia entre Mercurio y el Sol, lo que calienta su atmósfera a unos infernales 2.000°C. Tales temperaturas extremas han inflado al planeta, aumentando su volumen a casi seis veces el de Júpiter.

En esas temperaturas tan extremas los elementos que forman minerales y rocas, que de otro modo permanecerían ocultos en la atmósfera, pueden ser observados.

Utilizando el telescopio de Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, que opera NOIRLab de NSF, un equipo de astrónomos detectó 11 de estos elementos formadores de rocas en la atmósfera de WASP-76b. La presencia de estos elementos pueden proporcionar información clave sobre la formación de los planetas gigantes gaseosos, algo que aún es incierto incluso en nuestro propio Sistema Solar. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Nature. 

Desde su descubrimiento en 2013 durante el programa Wide Angle Search for Planets (WASP), muchos astrónomos ya habían estudiado el enigmático WASP-76b. Las investigaciones llevaron a identificar varios elementos presentes en la atmósfera del caliente exoplaneta. Incluso, en un estudio publicado en marzo de 2020, un equipo concluyó que se podría generar lluvias de hierro en el planeta.

Consciente de estos estudios, el estudiante de doctorado del Instituto Trottier para la Investigación de Exoplanetas en la Universidad de Montreal, Stefan Pelletier, y autor principal del artículo científico, se inspiró para explorar los misterios de este exoplaneta y la química de su abrasadora atmósfera.

En 2020 y 2021, Pelletier y su equipo observaron al planeta mientras pasaba en frente de su estrella anfitriona en tres ocasiones distintas. Estas nuevas observaciones, que fueron realizadas en Gemini Norte con MAROON-X (un nuevo instrumento especialmente diseñado para detectar y estudiar exoplanetas), revelaron una serie de elementos formadores de rocas en la atmósfera de WASP-76b, incluyendo sodio, potasio, litio, níquel, manganeso, cromo, magnesio, vanadio, bario, calcio, y, como se había detectado previamente, hierro.

Debido a las temperaturas extremas en la atmósfera de WASP-76b, los elementos detectados por los investigadores —que en condiciones normales formarían rocas en la Tierra— se vaporizan y por lo tanto están presentes en la atmósfera del planeta en forma gaseosa. Si bien estos elementos contribuyen a la composición de los gigantes gaseosos en nuestro Sistema Solar, estos planetas son demasiado fríos para que los elementos se vaporicen en la atmósfera, lo que los hace prácticamente indetectables.

“Son muy raros los momentos en que un exoplaneta a cientos años luz de distancia pueda enseñarnos algo que de otro modo probablemente sería imposible saber sobre nuestro propio Sistema Solar. Ese es el caso con este estudio”, explicó Pelletier.

La abundancia de muchos de estos elementos coincide estrechamente con la abundancia encontrada en nuestro Sol y en la estrella anfitriona del exoplaneta. Es posible que esto no sea una coincidencia y proporciona evidencia adicional de que los planetas gigantes gaseosos, como Júpiter y Saturno, se forman de una manera más parecida a la formación de estrellas, fusionándose a partir del gas y el polvo de un disco protoplanetario, en lugar de la acumulación gradual y la colisión de polvo, rocas y planetasimales, que pasan a formar planetas rocosos como Mercurio, Venus y la Tierra.

Otro resultado notable del estudio es la primera detección inequívoca de óxido de vanadio en un exoplaneta. Al respecto, Pelletier precisó que “esta molécula es de gran interés para los astrónomos porque puede tener un gran impacto en la estructura atmosférica de los planetas gigantes calientes. Esta molécula juega un rol similar al ozono, siendo extremadamente eficiente en calentar la atmósfera superior de la Tierra”. 

Pelletier y su equipo están muy motivados por aprender más acerca de WASP-76b y otros planetas ultra calientes. También esperan que otros astrónomos aprovechen lo que ellos aprendieron de este gigante exoplaneta y lo utilicen para mejorar nuestra comprensión de los planetas de nuestro Sistema Solar y cómo se formaron.

“Generaciones de investigadores han utilizado como referencia las cantidades de hidrógeno y helio encontradas en Júpiter, Saturno y Neptuno, para comparar las teorías de formación de planetas gaseosos. Ahora, las mediciones de elementos más pesados como el calcio o el magnesio contenidos en WASP-76b nos ayudarán a comprender mejor la formación de los planetas gaseosos”, concluyó el profesor de la Universidad de Montreal y co-autor del estudio, Björn Benneke.

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NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

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