Un planeta similar a la Tierra que se esperaba habitable resulta ser un horno ardiente

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Ilustración que muestra el posible aspecto del exoplaneta rocoso y caliente TRAPPIST-1 b. TRAPPIST-1 b, el más interior de los siete planetas conocidos del sistema TRAPPIST-1, orbita alrededor de su estrella a una distancia de 0,011 UA, completando un circuito en tan sólo 1,51 días terrestres. TRAPPIST-1 b es ligeramente mayor que la Tierra, pero tiene aproximadamente la misma densidad, lo que indica que debe tener una composición rocosa. Las mediciones de Webb de la luz infrarroja media emitida por TRAPPIST-1 b sugieren que el planeta no tiene una atmósfera sustancial. La estrella TRAPPIST-1 es una enana roja ultrafría (enana M) con una temperatura de sólo 2.566 K y una masa 0,09 veces superior a la del Sol. Esta ilustración se basa en los nuevos datos obtenidos por el instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) del telescopio Webb, así como en observaciones anteriores de otros telescopios terrestres y espaciales. Webb no ha captado ninguna imagen del planeta. MIRI fue desarrollado en colaboración entre Europa y Estados Unidos: los principales socios son la ESA, un consorcio de institutos europeos financiados a nivel nacional, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y la Universidad de Arizona. El instrumento fue financiado a nivel nacional por el Consorcio Europeo bajo los auspicios de la Agencia Espacial Europea. [Descripción de la imagen: Ilustración de un planeta rocoso y su estrella enana roja sobre un fondo negro vacío. El planeta es grande, en primer plano, abajo a la derecha, y la estrella es más pequeña, en segundo plano, arriba a la izquierda. El planeta tiene varios tonos de gris, con algunos cráteres pequeños. No hay atmósfera aparente. El cuarto izquierdo del planeta (el lado que mira hacia la estrella) está iluminado, mientras que el resto está en la sombra]. Créditos: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

Un equipo internacional de investigadores ha utilizado el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA para medir la temperatura del exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b. La medición se basa en la emisión térmica del planeta: energía calorífica emitida en forma de luz infrarroja detectada por el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del Webb. El resultado indica que el lado diurno del planeta tiene una temperatura de unos 500 kelvins (aproximadamente 230 °C), y sugiere que no posee una atmósfera significativa. Se trata de la primera detección de cualquier forma de luz emitida por un exoplaneta tan pequeño y frío como los planetas rocosos de nuestro sistema solar. El resultado supone un paso importante para determinar si los planetas que orbitan pequeñas estrellas activas como TRAPPIST-1 pueden albergar atmósferas necesarias para la vida. También es un buen augurio para la capacidad de Webb de caracterizar exoplanetas templados del tamaño de la Tierra utilizando MIRI.

"Thomas Greene, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA y autor principal del estudio publicado hoy en la revista Nature, afirma: "Estas observaciones realmente aprovechan la capacidad del infrarrojo medio de Webb. "Ningún telescopio anterior ha tenido la sensibilidad necesaria para medir una luz infrarroja media tan tenue".

A principios de 2017, los astrónomos informaron del descubrimiento de siete planetas rocosos que orbitan una estrella enana roja ultrafría (o enana M) a 40 años luz de la Tierra. Lo notable de los planetas es su similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos interiores de nuestro propio sistema solar. Aunque todos ellos orbitan mucho más cerca de su estrella que cualquiera de nuestros planetas alrededor del Sol -todos podrían caber cómodamente dentro de la órbita de Mercurio-, reciben cantidades comparables de energía de su diminuta estrella.

TRAPPIST-1 b, el planeta más interior, tiene una distancia orbital aproximadamente una centésima de la de la Tierra y recibe unas cuatro veces la cantidad de energía que la Tierra recibe del Sol. Aunque no se encuentra en la zona habitable del sistema, su observación puede proporcionar información importante sobre sus planetas hermanos, así como sobre los de otros sistemas de enanas M.

"Hay diez veces más estrellas de este tipo en la Vía Láctea que estrellas como el Sol, y tienen el doble de probabilidades de tener planetas rocosos que las estrellas como el Sol", explica Greene. "Pero también son muy activas: son muy brillantes cuando son jóvenes y emiten llamaradas y rayos X que pueden acabar con una atmósfera".

Curva de luz que muestra el cambio de brillo del sistema TRAPPIST-1 a medida que el planeta más interno, TRAPPIST-1 b, se desplaza detrás de la estrella. Este fenómeno se conoce como eclipse secundario. Los astrónomos utilizaron el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb para medir el brillo de la luz infrarroja media. Cuando el planeta está junto a la estrella, la luz emitida tanto por la estrella como por el lado diurno del planeta llega al telescopio, y el sistema aparece más brillante. Cuando el planeta está detrás de la estrella, la luz emitida por el planeta queda bloqueada y sólo llega al telescopio la luz de la estrella, lo que hace que el brillo aparente disminuya. Los astrónomos pueden restar el brillo de la estrella del brillo combinado de la estrella y el planeta para calcular cuánta luz infrarroja procede del lado diurno del planeta. A partir de ahí se calcula la temperatura diurna. El gráfico muestra los datos combinados de cinco observaciones distintas realizadas con el filtro F1500W de MIRI, que sólo permite el paso a los detectores de luz con longitudes de onda comprendidas entre 13,5 y 16,6 micras. Los cuadrados azules son mediciones individuales de brillo. Los círculos rojos muestran mediciones "binned" o promediadas para facilitar la observación de los cambios a lo largo del tiempo. La disminución del brillo durante el eclipse secundario es inferior al 0,1%. MIRI fue capaz de detectar cambios tan pequeños como 0,027% (o 1 parte en 3700). Se trata de la primera observación de emisión térmica de TRAPPIST-1 b, o de cualquier planeta tan pequeño como la Tierra y tan frío como los planetas rocosos del Sistema Solar. Las observaciones se están repitiendo con un filtro de 12,8 micras para confirmar los resultados y precisar las interpretaciones. MIRI se desarrolló en colaboración entre Europa y Estados Unidos: los principales socios son la ESA, un consorcio de institutos europeos financiados a nivel nacional, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y la Universidad de Arizona. El instrumento fue financiado a nivel nacional por el Consorcio Europeo bajo los auspicios de la Agencia Espacial Europea. [Descripción de la imagen: En la parte superior de la infografía hay un diagrama que muestra un planeta moviéndose detrás de su estrella (un eclipse secundario). Debajo del diagrama hay un gráfico que muestra el cambio en el brillo de la luz de 15 micras emitida por el sistema estrella-planeta en el transcurso de 3,5 horas. La infografía muestra que el brillo del sistema disminuye notablemente a medida que el planeta se desplaza detrás de la estrella]. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

La coautora Elsa Ducrot, del CEA (Francia), que formó parte del equipo que realizó los estudios iniciales del sistema TRAPPIST-1, añadió: "Es más fácil caracterizar planetas terrestres alrededor de estrellas más pequeñas y frías. Si queremos comprender la habitabilidad alrededor de estrellas M, el sistema TRAPPIST-1 es un gran laboratorio. Son los mejores objetivos que tenemos para observar las atmósferas de planetas rocosos".

Observaciones anteriores de TRAPPIST-1 b con el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, así como con el telescopio espacial Spitzer de la NASA, no hallaron indicios de una atmósfera esponjosa, pero no pudieron descartar una densa.

Una forma de reducir la incertidumbre es medir la temperatura del planeta. "Este planeta está bloqueado marealmente, con un lado orientado hacia la estrella en todo momento y el otro en oscuridad permanente", explica Pierre-Olivier Lagage, del CEA y coautor del artículo. "Si tiene una atmósfera que circule y redistribuya el calor, el lado diurno será más frío que si no hay atmósfera".

El equipo utilizó una técnica llamada fotometría de eclipse secundario, en la que MIRI midió el cambio de brillo del sistema a medida que el planeta se movía detrás de la estrella. Aunque TRAPPIST-1 b no es lo suficientemente caliente como para emitir su propia luz visible, sí tiene un brillo infrarrojo. Restando el brillo de la estrella por sí sola (durante el eclipse secundario) del brillo de la estrella y el planeta combinados, pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta.

La detección por Webb de un eclipse secundario constituye en sí misma un hito importante. Con la estrella más de 1.000 veces más brillante que el planeta, el cambio de brillo es inferior al 0,1%.

Comparación de la temperatura diurna de TRAPPIST-1 b medida con el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb con modelos informáticos que muestran cuál sería la temperatura en distintas condiciones. Los modelos tienen en cuenta las propiedades conocidas del sistema, incluidos el tamaño y la densidad del planeta, la temperatura de la estrella y la distancia orbital del planeta. Como referencia, también se muestra la temperatura del lado diurno de Mercurio. El brillo diurno de TRAPPIST-1 b a 15 micras corresponde a una temperatura de unos 500 K (aproximadamente 230 °C). Esta temperatura es coherente con la hipótesis de que el planeta está bloqueado por las mareas (un lado está orientado hacia la estrella en todo momento), con una superficie de color oscuro, sin atmósfera y sin redistribución de calor del lado diurno al nocturno. Si la energía térmica de la estrella se distribuyera uniformemente por el planeta (por ejemplo, mediante una atmósfera circulante sin dióxido de carbono), la temperatura a 15 micras sería de 400 K (125 °C). Si la atmósfera tuviera una cantidad considerable de dióxido de carbono, emitiría aún menos luz a 15 micras y parecería aún más fría. Aunque TRAPPIST-1 b es caliente para los estándares de la Tierra, es más frío que el lado diurno de Mercurio, que consiste en roca desnuda y sin atmósfera significativa. Mercurio recibe aproximadamente 1,6 veces más energía del Sol que TRAPPIST-1 b de su estrella. MIRI fue desarrollado en colaboración entre Europa y Estados Unidos: los principales socios son la ESA, un consorcio de institutos europeos financiados a nivel nacional, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y la Universidad de Arizona. El instrumento fue financiado a nivel nacional por el Consorcio Europeo bajo los auspicios de la Agencia Espacial Europea. [Descripción de la imagen: Infografía titulada "Rocky Exoplanet TRAPPIST-1 b Dayside Temperature Comparison, MIRI F1500W" que muestra cinco planetas trazados a lo largo de una escala horizontal de temperatura: Tierra, TRAPPIST-1 b, Mercurio y dos modelos diferentes de TRAPPIST-1 b]. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

"También había cierto temor de que nos perdiéramos el eclipse. Los planetas tiran unos de otros, por lo que las órbitas no son perfectas", explica Taylor Bell, investigador postdoctoral del Bay Area Environmental Research Institute que analizó los datos. "Pero fue increíble: La hora del eclipse que vimos en los datos coincidía con la prevista en un par de minutos".

El análisis de los datos de cinco observaciones secundarias distintas del eclipse indica que TRAPPIST-1 b tiene una temperatura diurna de unos 500 kelvins, o aproximadamente 230°C. El equipo cree que la interpretación más probable es que el planeta no tenga atmósfera.

Esta investigación se llevó a cabo como parte del programa 1177 de Observación en Tiempo Garantizado (GTO), que es uno de los ocho programas aprobados de GTO y Observador General (GO) diseñados para ayudar a caracterizar completamente el sistema TRAPPIST-1. Actualmente se están llevando a cabo observaciones secundarias adicionales de TRAPPIST-1 b, y ahora que saben lo buenos que pueden ser los datos, el equipo espera capturar finalmente una curva de fase completa que muestre el cambio de brillo a lo largo de toda la órbita. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del día a la noche y confirmar si el planeta tiene atmósfera o no.

"Había un objetivo con el que soñaba tener", dijo Lagage, que trabajó en el desarrollo del instrumento MIRI durante más de dos décadas. "Y era éste. Es la primera vez que podemos detectar la emisión de un planeta rocoso y templado. Es un paso realmente importante en la historia del descubrimiento de exoplanetas".

Fuente: ESA