El viaje de Webb para comprender la extraña atmósfera de un mundo distante

El análisis espectral del terminador en el infrarrojo cercano confirma diferencias en la atmósfera de la mañana y de la tarde.

Desde el principio exoplaneta fue descubierto en 1992, miles de planetas que orbitan alrededor de estrellas fuera de nuestro sistema solar han sido confirmados mediante innumerables métodos diferentes, incluidas imágenes directas, microlentes gravitacionales, medición de tránsito y astrometría. A lo largo de los años, han evolucionado técnicas para estudiar estos exoplanetas y los astrónomos han aprendido detalles sobre las composiciones atmosféricas de estos mundos distantes.

NASA'S Telescopio espacial James Webb continúa avanzando en este campo de estudio y profundizando nuestra comprensión de la diversidad de exoplanetas y sus atmósferas.

¿El último? Webb permitió a los astrónomos analizar las diferencias atmosféricas entre la mañana y la tarde en un exoplaneta bloqueado por mareas, un logro increíble para un mundo a 700 años luz de la Tierra como WASP-39 b.

Este arte conceptual muestra cómo podría verse el exoplaneta WASP-39 b basándose en observaciones de tránsito indirecto realizadas por el Telescopio Espacial James Webb de la NASA y otros telescopios espaciales y terrestres. Créditos: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

El Telescopio Espacial Webb investiga amaneceres y atardeceres eternos en mundos distantes

Los investigadores, utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA, finalmente han confirmado lo que los modelos habían predicho hasta ahora: un exoplaneta tiene diferencias entre su atmósfera eternamente matutina y eternamente vespertina. WASP-39 b, un planeta gigante con un diámetro 1,3 veces mayor que Júpiterpero masa similar a Saturno Al orbitar una estrella a unos 700 años luz de la Tierra, está bloqueado por mareas con su estrella madre. Esto significa que tiene un lado constantemente iluminado y otro constantemente nocturno: un lado del planeta siempre está expuesto a su estrella, mientras que el otro siempre está envuelto en oscuridad.

Utilizando el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb, los astrónomos confirmaron una diferencia de temperatura entre la mañana eterna y el atardecer eterno en WASP-39 b, y la tarde parecía unos 300 grados más cálida. Fahrenheit grados (alrededor de 200 Centígrado grados). También encontraron evidencia de una cobertura de nubes diferente, siendo la parte matutina del planeta probablemente más nublada que la parte vespertina.

Italiano: https://www.youtube.com/watch?v=v4oXVOZE_DE
Esta animación describe cómo Webb utiliza la espectroscopía de transmisión para estudiar las atmósferas de exoplanetas distantes. Créditos: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Avances en los estudios atmosféricos de exoplanetas

Los astrónomos analizaron el espectro de transmisión de 2 a 5 micrones de WASP-39 b, una técnica que estudia el terminador del exoplaneta, el límite que separa los lados diurno y nocturno del planeta. Se crea un espectro de transmisión comparando la luz estelar filtrada a través de la atmósfera de un planeta mientras se mueve frente a la estrella, con la luz estelar sin filtrar detectada cuando el planeta está al lado de la estrella. Al realizar esta comparación, los investigadores pueden obtener información sobre la temperatura, la composición y otras propiedades de la atmósfera del planeta.

«WASP-39 b se ha convertido en una especie de planeta de referencia en el estudio de las atmósferas de exoplanetas con Webb», dijo Néstor Espinoza, investigador de exoplanetas en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial y autor principal del estudio. «Tiene una atmósfera hinchada y vaporosa, por lo que la señal de la luz de las estrellas que se filtra a través de la atmósfera del planeta es bastante fuerte».

Una curva de luz del NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) del telescopio espacial James Webb de la NASA muestra el cambio en el brillo del sistema estelar WASP-39 a lo largo del tiempo a medida que el planeta transitaba por la estrella. Esta observación se realizó utilizando el modo de serie temporal de objetos brillantes de NIRSpec, que utiliza una cuadrícula para difundir la luz de un único objeto brillante (como la estrella anfitriona de WASP-39 b) y medir el brillo de cada longitud de onda de luz en un tiempo determinado. intervalos. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Información sobre la temperatura y la composición atmosférica.

Los espectros de Webb publicados anteriormente de la atmósfera de WASP-39b, que revelaron la presencia de dióxido de carbono, dióxido de azufre, vapor de agua y sodio, representan todo el límite día/noche: no se hizo ningún intento detallado de diferenciar un lado del otro.

Ahora, el nuevo análisis construye dos espectros diferentes de la región del terminador, esencialmente dividiendo el límite día/noche en dos semicírculos, uno de la tarde y el otro de la mañana. Los datos revelan que la tarde es significativamente más cálida, 1.450 grados Fahrenheit (800 grados Celsius), y la mañana es relativamente más fría, 1.150 grados Fahrenheit (600 grados Celsius).

Este espectro de transmisión, capturado utilizando el modo de serie temporal NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de tiempo de objeto brillante PRISM de Webb, muestra las cantidades de luz estelar del infrarrojo cercano bloqueada por la atmósfera del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b. El espectro muestra evidencia clara de agua y dióxido de carbono y una variación de temperatura entre la mañana y la tarde en el exoplaneta.
Un nuevo análisis del espectro de transmisión de WASP-39 b construye dos espectros diferentes a partir del límite estacionario día/noche en el exoplaneta, dividiendo esencialmente esta región del terminador en dos semicírculos, uno de la tarde y el otro de la mañana. Los datos revelan que la tarde es significativamente más cálida, 1.450 grados Fahrenheit (800 grados Celsius), y la mañana es relativamente más fría, 1.150 grados Fahrenheit (600 grados Celsius).
Las líneas azul y amarilla representan un modelo óptimo que tiene en cuenta los datos, las propiedades conocidas de WASP-39 b y su estrella (por ejemplo, tamaño, masa, temperatura) y las características supuestas de la atmósfera.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Implicaciones de las variaciones de temperatura.

«Es realmente sorprendente que podamos analizar esta pequeña diferencia, y sólo es posible gracias a la sensibilidad de Webb en longitudes de onda del infrarrojo cercano y sus sensores fotométricos extremadamente estables», dijo Espinoza. «Cualquier pequeño movimiento en el instrumento o en el observatorio durante la recopilación de datos habría limitado gravemente nuestra capacidad para realizar esta detección. Tiene que ser extraordinariamente preciso, y Webb lo es».

La modelización exhaustiva de los datos obtenidos también permite a los investigadores estudiar la estructura de la atmósfera de WASP-39 b, la cobertura de nubes y por qué hace más calor por las noches. Si bien el trabajo futuro del equipo estudiará cómo la cobertura de nubes puede afectar la temperatura y viceversa, los astrónomos confirmaron que la circulación de gas alrededor del planeta es el principal culpable de la diferencia de temperatura en WASP-39 b.

Comprender los patrones de viento planetario y la dinámica de temperatura

En un exoplaneta altamente irradiado como WASP-39 b, que orbita relativamente cerca de su estrella, los investigadores normalmente esperan que el gas se mueva a medida que el planeta gira alrededor de su estrella: el gas más caliente del lado diurno debería moverse durante la tarde hacia el lado nocturno a través de una potente onda ecuatorial. corriente en chorro. Debido a que la diferencia de temperatura es tan extrema, la diferencia de presión del aire también sería significativa, lo que a su vez provocaría altas velocidades del viento.

Utilizando modelos de circulación general, modelos tridimensionales similares a los utilizados para predecir patrones climáticos en la Tierra, los investigadores descubrieron que en WASP-39 bi los vientos predominantes probablemente se mueven desde el lado nocturno hasta el terminador matutino, alrededor del lado diurno y hasta el final de la tarde. Terminator y luego por el lado nocturno. Como resultado, el lado matutino del terminador es más frío que el lado vespertino. En otras palabras, el lado de la mañana recibe el impacto de vientos de aire que se han enfriado en el lado de la noche, mientras que el lado de la tarde recibe el impacto de vientos de aire cálido en el lado del día. ¡Las investigaciones sugieren que la velocidad del viento en WASP-39 b puede alcanzar miles de millas por hora!

Direcciones de investigación futuras y las primeras contribuciones científicas de Webb

«Este análisis también es particularmente interesante porque obtienes información 3D sobre el planeta que no habías obtenido antes», añadió Espinoza. «Como podemos decir que el borde nocturno es más cálido, eso significa que está un poco más hinchado. Entonces, teóricamente, hay una pequeña onda en el terminador a medida que se acerca al lado nocturno del planeta».

Los hallazgos del equipo fueron publicados en la revista. Naturaleza.

Los investigadores ahora intentarán utilizar el mismo método de análisis para estudiar las diferencias atmosféricas de otros Júpiter calientes que experimentan fuerzas sincrónicas de marea, como parte del programa Webb Cycle 2 General Observers 3969.

WASP-39 b fue uno de los primeros objetivos analizados por Webb cuando comenzó las operaciones científicas normales en 2022. Los datos de este estudio se recopilaron en el marco del programa Early Release Science 1366, diseñado para ayudar a los científicos a aprender rápidamente cómo utilizar los instrumentos del telescopio y realizar todo su potencial científico.

Referencia: “Terminadores no homogéneos en el exoplaneta WASP-39 b” por Néstor Espinoza, Maria E. Steinrueck, James Kirk, Ryan J. MacDonald, Arjun B. Savel, Kenneth Arnold, Eliza M.-R. Kempton, Matthew M. Murphy, Ludmila Carone, Maria Zamyatina, David A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christiane Helling, Zafar Rustamkulov, Vivien Parmentier, Erin M. May, Aarynn L. Carter, Xi Zhang, Mercedes López-Morales, Natalie Allen, Jasmina Blecic, Leen Decin, Luigi Mancini, Karan Molaverdikhani, Benjamin V. Rackham, Enric Palle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean, Ian J.M. Crossfield, David Haegele, Eric Hébrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm y Nicolas Crouzet, 15 de julio de 2024. Naturaleza.
Número de referencia: 10.1038/s41586-024-07768-4

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) es un gran observatorio espacial lanzado el 25 de diciembre de 2021. Es un proyecto de colaboración en el que participan la NASA, Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA). Como sucesor científico de telescopio espacial HubbleJWST está diseñado para proporcionar resoluciones y sensibilidad sin precedentes en el rango infrarrojo del espectro electromagnético. Esta capacidad permite a los astrónomos estudiar cada fase de la historia cósmica, desde el primer resplandor Big Banga la formación de sistemas solares capaces de sustentar vida en planetas como la Tierra, a la evolución de nuestro Sistema Solar. Ubicado en el segundo punto de Lagrange (L2), JWST explorará una amplia gama de cuestiones científicas, ayudando a descubrir nuevos conocimientos sobre la estructura y los orígenes del universo.