En 2021, el observatorio de próxima generación de la NASA, el Telescopio espacial James Webb (JWST), llevará al espacio. Una vez operativa, esta misión emblemática continuará donde otros telescopios espaciales, como Hubble, Keplery Spitzer - Parado. Esto significa que además de investigar algunos de los mayores misterios cósmicos, también buscará exoplanetas potencialmente habitables e intentará caracterizar sus atmósferas.
Esto es parte de lo que diferencia al JWST de sus predecesores. Entre sus capacidades de alta sensibilidad e imagen infrarroja, podrá recopilar datos sobre atmósferas de exoplanetas como nunca antes. Sin embargo, como mostró recientemente un estudio respaldado por la NASA, los planetas que tienen atmósferas densas también podrían tener una extensa capa de nubes, lo que podría complicar los intentos de reunir algunos de los datos más importantes de todos.
Durante años, los astrónomos han utilizado la fotometría de tránsito (también conocido como el método de tránsito) para detectar exoplanetas al monitorear las estrellas distantes para detectar caídas en el brillo. Este método también ha demostrado ser útil para determinar la composición atmosférica de algunos planetas. A medida que estos cuerpos pasan frente a sus estrellas, la luz pasa a través de su atmósfera, cuyo espectro se analiza para ver qué elementos químicos hay.
Hasta ahora, este método ha sido útil al observar planetas masivos (gigantes gaseosos y "Super Júpiter") que orbitan sus soles a grandes distancias. Sin embargo, observar planetas rocosos más pequeños (es decir, `` similares a la Tierra '') que orbitan más cerca de sus soles, lo que los colocaría dentro de la zona habitable de la estrella, ha estado más allá de las capacidades de los telescopios espaciales.
Por esta razón, la comunidad astronómica ha estado esperando el día en que los telescopios de próxima generación como el JWST estén disponibles. Al examinar los espectros de luz que pasan a través de la atmósfera de un planeta rocoso (un método conocido como espectroscopía de transmisión), los científicos podrán buscar indicadores reveladores de oxígeno, gas, dióxido de carbono, metano y otros signos asociados con la vida (también conocido como "biofirmas" ").
Otro elemento crítico para la vida (como la conocemos) es el agua, por lo que las firmas de vapor de agua en la atmósfera de un planeta son un objetivo principal para futuras encuestas. Pero en un nuevo estudio dirigido por Thaddeus Komacek, becario postdoctoral del Departamento de Ciencias Geofísicas de la Universidad de Chicago, es posible que cualquier planeta con abundante agua superficial también tenga abundantes nubes (partículas de hielo de condensación) en su atmósfera. .
En aras de este estudio, Komacek y sus colegas examinaron si estas nubes interferirían con los intentos de detectar vapor de agua en las atmósferas de los exoplanetas terrestres. Debido a la cantidad de exoplanetas rocosos que se han descubierto dentro de las zonas habitables de las estrellas de tipo M (enana roja) en los últimos años, como Proxima b, las enanas rojas vecinas serán el foco principal de futuras encuestas.
Como Komack explicó a Space Magazine por correo electrónico, los planetas bloqueados por las mareas que orbitan estrellas enanas rojas son muy adecuados para estudios que involucran espectroscopía de transmisión, y por varias razones:
“Los planetas en tránsito que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas son objetivos más favorables que los que orbitan estrellas similares al Sol porque la relación entre el tamaño del planeta y el tamaño de la estrella es mayor. El tamaño de la señal en la transmisión se escala como el cuadrado de la relación entre el tamaño del planeta y el tamaño de la estrella, por lo que hay un impulso significativo en la señal que va a estrellas más pequeñas que la Tierra.
“Otra razón por la cual los planetas que orbitan alrededor de las estrellas enanas rojas son más favorables para observar es porque la 'zona habitable', o donde esperamos que haya agua líquida en la superficie del planeta, está mucho más cerca de la estrella ... Debido a esto Las órbitas más cercanas, los planetas rocosos habitables que orbitan alrededor de las estrellas enanas rojas transitarán su estrella con mucha más frecuencia, lo que permite a los observadores realizar muchas observaciones repetidas.“
Con esto en mente, Komacek y su equipo emplearon dos modelos en conjunto para generar espectros de transmisión sintéticos de planetas bloqueados por mareas alrededor de estrellas de tipo M. El primero fue ExoCAM desarrollado por el Dr. Eric Wolf del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado (LASP), un Modelo de Sistema Terrestre Comunitario (CESM) utilizado para simular el clima de la Tierra, que se ha adaptado para estudiar atmósferas de exoplanetas.
Utilizando el modelo ExoCAM, simularon el clima de planetas rocosos que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas. En segundo lugar, emplearon el generador de espectro planetario desarrollado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA para simular el espectro de transmisión que el JWST detectaría desde su planeta simulado. Como Komacek lo explicó:
“Estas simulaciones de ExoCAM calcularon las distribuciones tridimensionales de temperatura, relación de mezcla de vapor de agua y partículas de nubes de agua líquida y helada. Descubrimos que los planetas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas son mucho más nublados que la Tierra. Esto se debe a que todo su lado del día tiene un clima similar al trópico de la Tierra, por lo que el vapor de agua se eleva fácilmente a bajas presiones donde puede condensarse y formar nubes que cubren gran parte del lado del planeta ...
“El PSG dio resultados para el tamaño aparente del planeta en transmisión en función de la longitud de onda, junto con la incertidumbre. Al observar cómo cambió el tamaño de la señal con la longitud de onda, pudimos determinar el tamaño de las características del vapor de agua y compararlas con el nivel de incertidumbre ”.
Entre estos dos modelos, el equipo pudo simular planetas con y sin cobertura de nubes, y lo que el JWST podría detectar como resultado. En el caso de los primeros, descubrieron que el vapor de agua en la atmósfera del exoplaneta seguramente sería detectable. También descubrieron que esto podría hacerse para exoplanetas del tamaño de la Tierra en solo diez tránsitos o menos.
"[Cuando] incluimos los efectos de las nubes, la cantidad de tránsitos que JWST necesitaba observar para detectar el vapor de agua aumentó en un factor de diez a cien", dijo Komacek. "Existe un límite natural en la cantidad de tránsitos que JWST puede observar para un planeta dado porque JWST tiene una vida útil de misión nominal de 5 años y la observación de transmisión solo se puede tomar cuando el planeta pasa entre nosotros y su estrella anfitriona".
También descubrieron que el impacto de la cubierta de nubes era especialmente fuerte con planetas de rotación más lenta alrededor de las enanas rojas. Básicamente, los planetas que tienen períodos orbitales más largos de aproximadamente 12 días experimentarían más formación de nubes en sus lados. "Descubrimos que para los planetas que orbitan una estrella como TRAPPIST-1 (el objetivo más favorable conocido), JWST no podría observar suficientes tránsitos para detectar el vapor de agua", dijo Komacek.
Estos resultados son similares a lo que otros investigadores han notado, agregó. El año pasado, un estudio dirigido por investigadores de la NASA Goddard mostró cómo la capa de nubes haría que el vapor de agua fuera indetectable en las atmósferas de los planetas TRAPPIST-1. A principios de este mes, otro estudio apoyado por Goddard de la NASA mostró cómo las nubes reducirán la amplitud del vapor de agua hasta el punto de que el JWST los eliminaría como ruido de fondo.
Pero antes de pensar que todas son malas noticias, este estudio presenta algunas sugerencias sobre cómo se podrían superar estas limitaciones. Por ejemplo, si el tiempo de la misión es un factor, la misión JWST puede extenderse para que los científicos tengan más tiempo para recopilar datos. La NASA ya espera tener el telescopio espacial en funcionamiento durante diez años, por lo que una extensión de la misión ya es una posibilidad.
Al mismo tiempo, un umbral reducido de señal a ruido para la detección podría permitir que se elijan más señales del espectro (aunque eso también significaría más falsos positivos). Además, Komacek y sus colegas estaban seguros de señalar que estos resultados se aplican solo a las características que están debajo del mazo de nubes en los exoplanetas:
“Debido a que el vapor de agua está mayormente atrapado debajo del nivel de la nube de agua, la fuerte cobertura de nubes en los planetas que orbitan estrellas enanas rojas hace que sea increíblemente difícil detectar las características del agua. Es importante destacar que se espera que JWST aún pueda restringir la presencia de componentes atmosféricos clave como el dióxido de carbono y el metano en solo una docena de tránsitos más o menos ”.
Una vez más, estos resultados están respaldados por investigaciones previas. El año pasado, un estudio de la Universidad de Washington examinó la detectabilidad y las características de los planetas TRAPPIST-1 y descubrió que no es probable que las nubes tengan un impacto significativo en la detectabilidad de las características de oxígeno y ozono, dos firmas biológicas clave asociadas con presencia de vida
Entonces, realmente, el JWST podría tener dificultades para detectar el vapor de agua en atmósferas de exoplanetas, al menos en lo que respecta a la densa capa de nubes. Para otras firmas biológicas, el JWST no debería tener problemas para detectarlas, con nubes o sin nubes. Se espera que grandes cosas vengan de Webb, el telescopio espacial más potente y sofisticado de la NASA hasta la fecha. ¡Y todo comenzará el año que viene!
