Respirando gas metano en un mundo lejano

NASA‘s Telescopio espacial James Webb Detectan metano en la atmósfera exoplaneta WASP-80 b, un hito en la exploración espacial. El descubrimiento, confirmado mediante métodos avanzados de análisis de la luz, arroja luz sobre la composición del planeta y permite realizar comparaciones con los planetas de nuestro sistema solar.

El telescopio espacial James Webb de la NASA observó el exoplaneta WASP-80 b mientras pasaba por delante y por detrás de su estrella anfitriona, revelando espectros que indican la presencia de una atmósfera que contiene metano y vapor de agua. Si bien hasta ahora se ha detectado vapor de agua en más de una docena de planetas, el metano, una molécula que abundaba en la atmósfera del planeta, no lo era hasta hace poco. Júpiter, Saturno, UranoY Neptuno Dentro de nuestro sistema solar, permanecieron esquivos en las atmósferas de exoplanetas en tránsito cuando se estudiaron mediante espectroscopía espacial.

Taylor Bell del Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía (BAERI), con sede en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California, y Lewis Wilbanks de la Universidad Estatal de Arizona, nos cuentan más sobre la importancia de detectar metano en las atmósferas exteriores de los exoplanetas, y discutir cómo ha facilitado las observaciones Web Detección de metano en atmósferas de exoplanetas. Identificación de esta molécula tan esperada. Estos resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Nature.

Entendiendo el “Júpiter cálido” WASP-80 B

“Con una temperatura de unos 825 K (unos 1025 grados F), WASP-80 b es lo que los científicos llaman “Júpiter cálidos”, planetas similares en tamaño y masa a Júpiter en nuestro sistema solar pero cuya temperatura se sitúa entre las de los Júpiter calientes, como 1.450 grados Celsius. K (2150 °F) HD 209458 b (el primer exoplaneta descubierto), y los Júpiter fríos, como el nuestro, tienen una temperatura de aproximadamente 125 K (235 °F). WASP-80 b orbita su estrella enana roja una vez cada tres días y se encuentra a 163 años luz de nosotros, en la constelación del Buitre. Dado que el planeta está tan cerca de su estrella y ambas están tan lejos de nosotros, no podemos ver el planeta directamente ni siquiera con los telescopios más avanzados como Webb. En cambio, los investigadores estudian la luz combinada de la estrella y el planeta utilizando el método de tránsito (que se ha utilizado para descubrir la mayoría de los exoplanetas conocidos) y el método de eclipse.

Tecnologías de monitoreo innovadoras

Utilizando el método de tránsito, observamos el sistema cuando el planeta se movía frente a su estrella desde nuestra perspectiva, lo que provocó que la luz de las estrellas que vemos se atenuara ligeramente. Es como si alguien pasara junto a la lámpara y la luz se apagara. Durante este tiempo, la estrella ilumina un delgado anillo de la atmósfera del planeta alrededor del límite día-noche del planeta, y en ciertos colores de luz donde las moléculas en la atmósfera del planeta absorben la luz, la atmósfera parece más espesa y bloquea más luz estelar. Esto provoca una opacidad más profunda en comparación con otras longitudes de onda donde la atmósfera parece transparente. Este método ayuda a científicos como nosotros a comprender los componentes de la atmósfera de un planeta al ver qué colores de luz están oscurecidos.

Mientras tanto, utilizando el método del eclipse, observamos el sistema mientras el planeta pasaba detrás de su estrella desde nuestra perspectiva, provocando otra ligera disminución en la luz total que recibimos. Todos los objetos emiten algo de luz, llamada radiación térmica, y la intensidad y el color de la luz emitida dependen de qué tan caliente esté el objeto. Justo antes y después del eclipse, el lado cálido del planeta apunta hacia nosotros y, al medir la caída de la luz durante el eclipse, pudimos medir la luz infrarroja que emana del planeta. En el caso de los espectros de eclipses, la absorción por las moléculas en la atmósfera de un planeta suele aparecer como una disminución de la luz emitida por el planeta en longitudes de onda específicas. Además, debido a que el planeta es mucho más pequeño y más frío que su estrella anfitriona, la profundidad del eclipse es mucho menor que la profundidad del tránsito.

Espectro de tránsito medido (arriba) y espectro de eclipse (abajo) de WASP-80 b desde el modo de espectroscopía sin rendijas de NIRCam en el Telescopio Espacial James Webb de la NASA. En ambos espectros hay clara evidencia de absorción de agua y metano, cuyas contribuciones están indicadas por líneas de colores. Durante un tránsito, el planeta pasa frente a la estrella y, en el espectro de tránsito, la presencia de partículas hace que la atmósfera del planeta bloquee más luz en ciertos colores, provocando una atenuación más profunda en esas longitudes de onda. Durante un eclipse, el planeta pasa detrás de la estrella y, en este espectro de eclipse, las partículas absorben parte de la luz emitida por el planeta en colores específicos, lo que resulta en una caída de brillo menor durante un eclipse que durante un tránsito. Crédito de la imagen: PAYRI/NASA/Taylor Bell

Análisis de datos espectrales

Nuestras observaciones iniciales tuvieron que convertirse en algo que llamamos espectro; Esta es básicamente una medición que muestra cuánta luz bloquea o emite la atmósfera de un planeta con diferentes colores (o longitudes de onda) de luz. Existen muchas herramientas diferentes para convertir observaciones sin procesar en espectros útiles, por lo que utilizamos dos métodos diferentes para garantizar que nuestros resultados fueran sólidos ante diferentes suposiciones. Luego interpretamos este espectro utilizando dos tipos de modelos para simular cómo se vería la atmósfera del planeta en estas condiciones extremas. El primer tipo de modelo es bastante flexible y experimenta con millones de combinaciones de metano, abundancia de agua y temperaturas para encontrar la combinación que mejor coincida con nuestros datos. El segundo tipo, llamado “modelos autoconsistentes”, también explora millones de combinaciones, pero utiliza nuestro conocimiento existente de física y química para determinar los niveles de metano y agua que se pueden esperar. Ambos tipos de modelos llegan a la misma conclusión: eventual detección de metano.

Para validar nuestros hallazgos, utilizamos métodos estadísticos sólidos para evaluar la probabilidad de que nuestro hallazgo fuera ruido aleatorio. En nuestro campo, consideramos que el “estándar de oro” es la llamada “detección 5 sigma”, lo que significa que las probabilidades de detección resultante del ruido aleatorio son de 1 en 1,7 millones. Al mismo tiempo, detectamos metano en 6,1 sigma tanto en el espectro de tránsito como en el de eclipse, fijando las probabilidades de un descubrimiento falso en cada observación en 1 entre 942 millones, superando el “estándar de oro” de 5 sigma y mejorando nuestra confianza en ambos. Descubrimientos.

Implicaciones para la detección de metano

Con este descubrimiento seguro, no sólo hemos encontrado una molécula difícil de alcanzar, sino que ahora podemos comenzar a explorar lo que esta estructura química nos dice sobre el nacimiento, el crecimiento y la evolución del planeta. Por ejemplo, midiendo la cantidad de metano y agua en el planeta, podemos deducir la proporción entre átomos de carbono y átomos de oxígeno. Se espera que esta proporción cambie dependiendo de dónde y cuándo se formen los planetas en su sistema. Por lo tanto, examinar la relación carbono-oxígeno puede proporcionar pistas sobre si el planeta se formó cerca o lejos de su estrella antes de moverse gradualmente hacia adentro.

Otra cosa que nos emocionó de este descubrimiento fue la oportunidad de finalmente comparar planetas fuera de nuestro sistema solar con planetas dentro de él. La NASA tiene un historial de enviar naves espaciales a los gigantes gaseosos de nuestro sistema solar para medir la cantidad de metano y otras moléculas en su atmósfera. Ahora, al medir el mismo gas en un exoplaneta, podemos comenzar a hacer una comparación “manzanas con manzanas” y ver si las predicciones del sistema solar coinciden con lo que vemos fuera de él.

Perspectivas de futuro con el telescopio espacial James Webb

Finalmente, mientras esperamos futuros descubrimientos con Webb, este resultado nos muestra que estamos al borde de descubrimientos aún más emocionantes. Observaciones adicionales MIRI y NIRCam de WASP-80 b utilizando Webb nos permitirán explorar las propiedades de la atmósfera en diferentes longitudes de onda de luz. Nuestros hallazgos nos llevan a creer que podremos monitorear otras moléculas ricas en carbono, como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, lo que nos permitirá pintar una imagen más completa de las condiciones que prevalecen en la atmósfera de este planeta.

Además, cuando encontremos metano y otros gases en exoplanetas, seguiremos ampliando nuestro conocimiento sobre cómo funcionan la química y la física en condiciones diferentes a las de la Tierra y, quizás pronto, a otros planetas que recuerden a los que tenemos aquí. en casa. Una cosa está clara: un viaje de exploración con el telescopio espacial James Webb está lleno de posibles sorpresas.

Referencia: “Metano en la atmósfera del exoplaneta cálido WASP-80b” por Taylor J. Bell, Lewis Wilbanks, Everett Schloein, Michael R. Lane, Jonathan J. Fortney, Thomas B. Green, Kazumasa Ono, Vivian Parmentier, Emily Rauscher , Tomás J. . Beattie, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Marta L. Boyer, Marcia J. Ricky y Juan A. Stansbury, 22 de noviembre de 2023, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06687-0

Sobre los autores:

• Taylor Bell es un científico investigador postdoctoral en el Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía (BAERI) y trabaja en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California.
• Lewis Wilbanks es miembro del Hubble de la NASA en la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, Arizona.