Los exoplanetas Júpiter ultra caliente tienen atmosferas parecidas a estrellas

Estas vistas simuladas del ultra-Júpiter WASP-121b muestran cómo se vería el planeta para el ojo humano desde cinco posiciones diferentes, iluminadas en diferentes grados por su estrella madre. Las imágenes se crearon utilizando una simulación por computadora que se utiliza para ayudar a los científicos a comprender las atmósferas de estos planetas ultra calientes. Ultrahot Jupiters casi no reflejan la luz, como el carbón. Sin embargo, los días de días de los Júpiter ultrahot tienen temperaturas de entre 3600 ° F y 5400 ° F (2000 ° C y 3000 ° C), por lo que los planetas producen su propio resplandor, como una brasa caliente. El color naranja en esta imagen simulada es, por lo tanto, del propio calor del planeta. El modelo de computadora se basó en observaciones de WASP-121b realizadas utilizando los telescopios espaciales Spitzer y Hubble de la NASA. Créditos: NASA / JPL-Caltech / Vivien Parmentier / Universidad de Aix-Marseille (AMU)

Imagine un lugar donde el pronóstico del tiempo sea siempre el mismo: temperaturas abrasadoras, implacablemente soleado y con absolutamente cero posibilidades de lluvia. Este escenario infernal existe a diario un tipo de planeta que se encuentra fuera de nuestro sistema solar y que se conoce como "Júpiter ultra caliente". Estos mundos orbitan extremadamente cerca de sus estrellas, con un lado del planeta permanentemente frente a esta. 

Lo que ha desconcertado a los científicos es por qué el vapor de agua parece faltar en las atmósferas de los estos tostados mundos, cuando es abundante en planetas similares, pero ligeramente más fríos. Las observaciones de Júpiter ultra calientes por los telescopios espaciales Spitzer y Hubble de la NASA, combinados con simulaciones por ordenador, han servido como un trampolín para un nuevo estudio teórico que puede haber resuelto este misterio. 

Según el nuevo estudio, los Júpiter ultra calientes poseen los ingredientes del agua (átomos de hidrógeno y oxígeno). Pero debido a la fuerte irradiación en la parte de día del planeta, las temperaturas allí se vuelven tan intensas que las moléculas de agua se rompen por completo. 

"Los días de estos mundos son hornos que se parecen más a una atmósfera estelar que a una atmósfera planetaria", dijo Vivien Parmentier, astrofísica de la Universidad de Aix Marseille en Francia y autora principal del nuevo estudio. "De esta forma, los Júpiter ultra calientes llevan al límite lo que creemos que deberían ser los planetas". 

Impresión artística de un Júpiter Caliente. Crédito: ESA & G. Bacon (Space Telescope Science Institute)

Mientras que los telescopios como Spitzer y Hubble pueden recopilar alguna información sobre los días de los Júpiter ultra calientes, las noches son difíciles de detectar para los instrumentos actuales. El nuevo documento propone un modelo de lo que podría estar sucediendo tanto en el lado iluminado como en el oscuro de estos planetas, basado en gran medida en observaciones y análisis del Júpiter ultra caliente conocido como WASP-121b, y de tres estudios publicados recientemente, en coautoría con Parmentier, centrándose en los Júpiter ultra caliente WASP-103b , WASP-18b y HAT-P-7b, respectivamente. El nuevo estudio sugiere que los vientos feroces pueden llevar las moléculas de agua de la parte soleada al hemisferio de lado oscuro de los planetas. En el lado más frío y oscuro del planeta, los átomos pueden recombinarse en moléculas y condensarse en nubes, antes de regresar al lado del día para ser divididas de nuevo. 

El agua no es la única molécula que puede experimentar un ciclo de reencarnación química en estos planetas, según el nuevo estudio. Las detecciones previas de nubes por Hubble en el límite entre el día y la noche, donde las temperaturas caen misericordiosamente, han demostrado que el óxido de titanio (popular como protector solar) y el óxido de aluminio (la base del rubí, la piedra preciosa) también podrían renacer molecularmente en la cara de noche de los Júpiter ultra calientes. Estos materiales incluso pueden formar nubes y que crear lluvia de metales líquidos y rubíes fluídicos. 

Híbridos estrella-planeta 

Entre el creciente catálogo de planetas fuera de nuestro sistema solar, conocidos como exoplanetas, los Júpiter ultra calientes se han destacado como una clase distinta durante aproximadamente una década. Encontrado en órbitas mucho más cercanas a sus estrellas anfitrionas de lo que Mercurio es para nuestro Sol, los planetas gigantes están bloqueados por mareas, lo que significa que el mismo hemisferio siempre mira a la estrella, así como la Luna siempre presenta el mismo lado hacia la Tierra. Como resultado, los días de los Júpiter ultra calientes son anrasadores en un perpetuo mediodía. Mientras tanto, sus hemisferios opuestos se ven atrapados por noches interminables. Las temperaturas durante el día alcanzan entre 3.600 y 5.400 grados Fahrenheit (2.000 y 3.000 grados Celsius), clasificando a los Júpiter ultra calientes entre los exoplanetas más calientes de la historia. Las temperaturas nocturnas son alrededor de 1.800 grados Fahrenheit más frías (1.000 grados Celsius), lo suficientemente frío como para que el agua se vuelva a formar y, junto con otras moléculas, formando nubes. 

Los Júpiter calientes, primos de los Júpiter ultra calientes con temperaturas nocturnas por debajo de los 3.600 grados Fahrenheit (2.000 grados Celsius), fueron el primer tipo de exoplaneta ampliamente descubierto, que comenzó a mediados de la década de 1990. El agua ha resultado ser común en sus atmósferas. Una hipótesis de por qué parecía ausente en el Júpiter ultra calientes ha sido que estos planetas se deben haber formado con niveles muy altos de carbono en lugar de oxígeno. Sin embargo, los autores del nuevo estudio dicen que esta idea no podría explicar los rastros de agua que a veces se detectan en el límite del lado nocturno junto al lado nocturno. 

Para revealr este misterio, Parmentier y sus colegas tomaron el ejemplo de modelos físicos bien establecidos de las atmósferas de estrellas, así como de "estrellas fallidas", conocidas como enanas marrones, cuyas propiedades se superponen un tanto con los Júpiter calientes y Júpiter ultra calientes. Parmentier adaptó un modelo de enana marrón desarrollado por Mark Marley, uno de los coautores del artículo y científico investigador del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California, para el caso de los Júpiter ultra calientes. Tratar las atmósferas de los Júpiter ultra calientes más como estrellas ardientes que como los planetas convencionalmente más fríos ofreció una forma de dar sentido a las observaciones de Spitzer y Hubble. 

"Con estos estudios, estamos aportando el conocimiento centenario adquirido al estudiar la astrofísica de las estrellas, al nuevo campo de investigación de las atmósferas exoplanetarias", dijo Parmentier. 

Las observaciones de Spitzer en luz infrarroja se centraron en el monóxido de carbono en las atmósferas de Júpiter ultra calientes. Los átomos de monóxido de carbono forman un enlace extremadamente fuerte que puede resistir de forma única el asalto térmico y radiactivo en los días de estos planetas. El brillo del monóxido de carbono resistente reveló que las atmósferas de los planetas se queman más caliente más arriba que más abajo. Parmentier dijo que verificar esta diferencia de temperatura fue clave para investigar el resultado de No-agua del Hubble, porque una atmósfera uniforme también puede enmascarar las firmas de las moléculas de agua. 

Júpiter Caliente con agua oculta. Crédito: ESA / NASA and JPL-Caltech

"Estos resultados son solo el ejemplo más reciente de Spitzer utilizado para la ciencia de exoplanetas, algo que no formaba parte de su manifiesto científico original", dijo Michael Werner, científico de proyectos de Spitzer en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California. "Además, siempre es alentador ver lo que podemos descubrir cuando los científicos combinan el poder de Hubble y Spitzer, dos de los Grandes Observatorios de la NASA". 

Aunque el nuevo modelo describió adecuadamente muchos Júpiter ultra caliente en los libros, algunos valores atípicos permanecen, lo que sugiere que aún deben entenderse aspectos adicionales de las atmósferas de estos mundos. Esos exoplanetas que no se ajustan al molde podrían tener composiciones químicas exóticas o patrones inesperados de calor y circulación. Estudios previos han argumentado que hay una cantidad de agua más significativa en la atmósfera diurna de WASP-121b que lo que es aparente de las observaciones, porque la mayor parte de la señal del agua está oscurecida. El nuevo documento proporciona una explicación alternativa para la señal de agua más pequeña de lo esperado, pero se necesitarán más estudios para comprender mejor la naturaleza de estas atmósferas de Júpiter ultra caliente. 

Resolver este dilema podría ser una tarea para el Telescopio Espacial James Webb de próxima generación de la NASA, programado para el lanzamiento en 2021. Parmentier y sus colegas esperan que sea lo suficientemente potente como para recoger nuevos detalles sobre los días, y también para confirmar que el agua que falta en el día y otras moléculas de interés han ido a los lados de noche de los planetas. 

"Ahora sabemos que los Júpiter ultra caliente muestran un comportamiento químico que es diferente y más complejo que sus primos, los Júpiter calientes", dijo Parmentier. "Los estudios de las atmósferas de exoplanetas todavía están en su infancia y tenemos mucho que aprender". 

El nuevo estudio se publicará en la revista Astronomy and Astrophysics. 

Fuente: NASA