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| Concepto artístico de 2MASS J22081363+2921215, una enana marrón cercana. A pesar de estar a sólo 115 años luz de distancia, la enana marrón está demasiado lejos como para poder fotografiar sus características atmosféricas. En su lugar, los investigadores utilizaron el instrumento MOSFIRE del Observatorio W. M. Keck para estudiar los colores y las variaciones de brillo de la estructura de la capa de nubes de la enana marrón, tal como se ve en la luz infrarroja cercana. MOSFIRE también recogió las huellas espectrales de varios elementos químicos contenidos en las nubes y cómo cambian con el tiempo. Crédito: NASA, ESA, STScI, Leah Hustak (STScI), Greg T. Bacon (STScI) |
Estos mundos extraterrestres, llamados superjúpiter, pesan hasta 13 veces la masa de Júpiter. Los astrónomos han analizado la composición de algunos de estos monstruos, pero ha sido difícil estudiar sus atmósferas en detalle porque estos gigantes gaseosos se pierden en el resplandor de sus estrellas madre.
Sin embargo, los investigadores tienen un sustituto: las atmósferas de las enanas marrones, las llamadas estrellas fallidas que tienen hasta 80 veces la masa de Júpiter. Estos objetos pesados se forman a partir de una nube de gas que colapsa, al igual que las estrellas, pero carecen de la masa necesaria para calentarse lo suficiente como para mantener la fusión nuclear en sus núcleos, que es lo que impulsa a las estrellas.
En cambio, las enanas marrones comparten un parentesco con los superjupiteres. Ambos tipos de objetos tienen temperaturas similares y son extremadamente masivos. También tienen atmósferas complejas y variadas. La única diferencia, según los astrónomos, es su origen. Los superjúpiteres se forman alrededor de las estrellas, mientras que las enanas marrones suelen formarse de forma aislada.
Un equipo de astrónomos, dirigido por Elena Manjavacas, del Space Telescope Science Institute de Baltimore (Maryland), ha probado una nueva forma de observar las capas de nubes de estos objetos nómadas. Los investigadores utilizaron un instrumento del Observatorio W. M. Keck en Maunakea, en Hawái, para estudiar en luz infrarroja cercana los colores y las variaciones de brillo de la estructura de capas de nubes en la cercana enana marrón de flotación libre conocida como 2MASS J22081363+2921215.
El instrumento del Observatorio Keck, llamado Espectrógrafo Multiobjeto para la Exploración en el Infrarrojo (MOSFIRE), también analizó las huellas espectrales de varios elementos químicos contenidos en las nubes y cómo cambian con el tiempo. Es la primera vez que los astrónomos utilizan MOSFIRE en este tipo de estudios.
Estas mediciones ofrecieron a Manjavacas una visión holística de las nubes atmosféricas de la enana marrón, proporcionando más detalles que las observaciones anteriores de este objeto. Esta técnica, pionera en las observaciones del Hubble, es difícil de realizar para los telescopios terrestres debido a la contaminación de la atmósfera terrestre, que absorbe ciertas longitudes de onda infrarrojas. Esta tasa de absorción cambia debido a las condiciones meteorológicas.
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| Este gráfico muestra las sucesivas capas de nubes en la atmósfera de una enana marrón cercana que flota libremente. Las rupturas en las capas de nubes superiores permitieron a los astrónomos profundizar en la atmósfera de la enana marrón llamada 2MASS J22081363+2921215. Las enanas marrones son más masivas que los planetas, pero demasiado pequeñas para sostener la fusión nuclear que impulsa a las estrellas. Esta ilustración se basa en observaciones en el infrarrojo de los colores y variaciones de brillo de las nubes, así como en las huellas espectrales de varios elementos químicos contenidos en las nubes y en el modelado atmosférico. Crédito: NASA, ESA, STScI, Andi James (STScI) |
"La única manera de hacer esto desde la tierra es utilizando el instrumento de alta resolución MOSFIRE de Keck, porque nos permite observar múltiples estrellas simultáneamente con nuestra enana marrón", dijo Manjavacas, antiguo astrónomo de plantilla del Observatorio Keck y autor principal del estudio. "Esto nos permite corregir la contaminación introducida por la atmósfera terrestre y medir la verdadera señal de la enana marrón con buena precisión. Así, estas observaciones son una prueba de concepto de que MOSFIRE puede hacer este tipo de estudios de atmósferas de enanas marrones".
Decidió estudiar esta enana marrón en particular porque es muy joven y, por tanto, extremadamente brillante. Todavía no se ha enfriado. Su masa y temperatura son similares a las del exoplaneta gigante cercano Beta Pictoris b, descubierto en 2008 en imágenes del infrarrojo cercano tomadas por el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en el norte de Chile.
"Todavía no tenemos la capacidad, con la tecnología actual, de analizar en detalle la atmósfera de Beta Pictoris b", dijo Manjavacas. "Así que estamos usando nuestro estudio de la atmósfera de esta enana marrón como un proxy para tener una idea de cómo podrían ser las nubes del exoplaneta a diferentes alturas de su atmósfera".
Tanto la enana marrón como Beta Pictoris b son jóvenes, por lo que irradian mucho calor en el infrarrojo cercano. Ambas son miembros de una bandada de estrellas y objetos subestelares llamada grupo móvil Beta Pictoris, que comparte el mismo origen y un movimiento común a través del espacio. El grupo, que tiene unos 33 millones de años, es la agrupación de estrellas jóvenes más cercana a la Tierra. Se encuentra a unos 115 años luz de distancia.
Aunque son más frías que las estrellas propiamente dichas, las enanas marrones siguen siendo extremadamente calientes. La enana marrón del estudio de Manjavacas tiene una temperatura de 2.780 grados Fahrenheit (1.527 grados Celsius).
El objeto gigante es unas 12 veces más pesado que Júpiter. Como cuerpo joven, está girando increíblemente rápido, completando una rotación cada 3,5 horas, comparado con el período de rotación de 10 horas de Júpiter. Por lo tanto, las nubes azotan el planeta, creando una atmósfera dinámica y turbulenta.
El instrumento MOSFIRE del Observatorio Keck observó la enana marrón durante 2,5 horas, observando cómo la luz que se filtra a través de la atmósfera desde el interior caliente de la enana se aclara y atenúa con el tiempo. Los puntos brillantes que aparecieron en el objeto en rotación indican las regiones en las que los investigadores pueden ver más profundamente en la atmósfera, donde está más caliente. Las longitudes de onda infrarrojas permiten a los astrónomos observar más profundamente la atmósfera. Las observaciones sugieren que la enana marrón tiene una atmósfera moteada con nubes dispersas. Si se observa de cerca, el planeta podría parecerse a una calabaza tallada de Halloween, con la luz escapando del interior caliente.
Su espectro revela nubes de granos de arena caliente y otros elementos exóticos. El yoduro de potasio traza la atmósfera superior del objeto, que también incluye nubes de silicato de magnesio. Hacia abajo en la atmósfera hay una capa de nubes de yoduro de sodio y silicato de magnesio. La última capa está formada por nubes de óxido de aluminio. La profundidad total de la atmósfera es de 718 kilómetros. Los elementos detectados representan una parte típica de la composición de las atmósferas de las enanas marrones, dijo Manjavacas.
Ella y su equipo utilizaron modelos informáticos de atmósferas de enanas marrones para determinar la ubicación de los compuestos químicos en cada capa de nubes.
Fuentes, créditos y referencias:
“Revealing the Vertical Cloud Structure of a young low-mass Brown Dwarf,
an analog to the beta-Pictoris b directly-imaged exoplanet, through
Keck I/MOSFIRE spectro-photometric variability” by Elena Manjavacas,
Theodora Karalidi, Johanna Vos, Beth Biller and Ben W. P. Lew, Accepted,
The Astronomical Journal.
arXiv:2107.12368