Un equipo internacional de científicos, utilizando el telescopio terrestre del Observatorio Gemini en Chile, es el primero en medir directamente la cantidad de agua y monóxido de carbono en la atmósfera de un planeta en otro sistema solar a unos 340 años luz de distancia.

El equipo está dirigido por el profesor asistente Michael Line de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona, y los resultados se publicaron hoy (27 de octubre de 2021) en la revista. Naturaleza.

Hay miles de planetas conocidos fuera de nuestro propio sistema solar (llamados exoplanetas). Los científicos utilizan telescopios espaciales y telescopios terrestres para examinar cómo se forman estos exoplanetas y en qué se diferencian de los planetas de nuestro propio sistema solar.

Para este estudio, Line y su equipo se centraron en el planeta «WASP-77Ab», un tipo de exoplaneta llamado «caliente Júpiter“Porque son como Júpiter en nuestro sistema solar, pero con una temperatura superior a los 2000 grados Fahrenheit.

Luego se enfocaron en medir la composición de su atmósfera para determinar qué elementos están presentes, en comparación con la estrella que orbita.

“Debido a sus tamaños y temperaturas, los Júpiter calientes son excelentes laboratorios para medir gases atmosféricos y probar nuestras teorías sobre la formación de planetas”, dijo Line.

Aunque todavía no podemos enviar naves espaciales a planetas más allá de nuestro sistema solar, los científicos pueden estudiar la luz de los exoplanetas con telescopios. Los telescopios que utilizan para observar esta luz pueden estar en el espacio, como el telescopio espacial Hubble, o desde el suelo, como los telescopios del Observatorio Gemini.

Line y su equipo participaron ampliamente en la medición de la composición atmosférica de los exoplanetas utilizando el Hubble, pero obtener esas mediciones fue un desafío. No solo existe una feroz competencia por el tiempo del telescopio, los instrumentos del Hubble solo miden agua (u oxígeno) y el equipo también necesitaba recolectar mediciones de monóxido de carbono (o carbono).

Aquí es donde el equipo se dirigió al telescopio Gemini South.

“Necesitábamos probar algo diferente para responder a nuestras preguntas”, dijo Line. «Y nuestro análisis de las capacidades de Gemini South indicó que podríamos obtener mediciones atmosféricas ultraprecisas».

Gemini South es un telescopio de 8.1 metros de diámetro ubicado en una montaña en los Andes chilenos llamada Cerro Pachón, donde el aire muy seco y la capa de nubes insignificante lo convierten en una ubicación privilegiada para el telescopio. Es operado por el NOIRLab (Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica-Infrarroja) de la National Science Foundation.

Usando el telescopio Gemini South, con un instrumento llamado Espectrómetro Infrarrojo de Inmersión GRAting (IGRINS), el equipo observó el brillo térmico del exoplaneta mientras orbitaba su estrella anfitriona. A partir de este instrumento, recopilaron información sobre la presencia y cantidades relativas de diferentes gases en su atmósfera.

Al igual que los satélites meteorológicos y climáticos que se utilizan para medir la cantidad de vapor de agua y dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra, los científicos pueden utilizar espectrómetros y telescopios, como el IGRINS en Gemini South, para medir las cantidades de diferentes gases en otros planetas.

«Tratar de averiguar la composición de las atmósferas planetarias es como intentar resolver un crimen con huellas dactilares», dijo Line. «Una huella dactilar manchada realmente no restringe demasiado, pero una huella dactilar muy buena y limpia proporciona un identificador único de quien cometió el delito».

Mientras que el telescopio espacial Hubble proporcionó al equipo quizás una o dos huellas dactilares borrosas, el IGRINS en Gemini South proporcionó al equipo un conjunto completo de huellas dactilares perfectamente claras.

Y con mediciones claras de agua y monóxido de carbono en la atmósfera del WASP-77Ab, el equipo pudo estimar las cantidades relativas de oxígeno y carbono en la atmósfera del exoplaneta.

Al medir el desplazamiento Doppler ilustrado en la columna de la derecha de esta figura, los científicos pueden reconstruir la velocidad orbital de un planeta en el tiempo hacia la Tierra o alejándose de ella. La fuerza de la señal del planeta, como se muestra en la columna del medio, a lo largo de la velocidad aparente esperada (curva discontinua de la Marina) del planeta mientras orbita la estrella, contiene información sobre la cantidad de diferentes gases en la atmósfera. Crédito: P. Smith / M. Line / S. Selkirk / ASU

«Estos valores estaban en línea con nuestras expectativas y son casi los mismos que los de la estrella anfitriona», dijo Line.

Obtener abundancias de gas ultraprecisas en atmósferas de exoplanetas no solo es un logro técnico importante, especialmente con un telescopio terrestre, sino que también puede ayudar a los científicos a buscar vida en otros planetas.

“Este trabajo representa una demostración pionera de cómo mediremos los gases de firma biológica como el oxígeno y el metano en mundos potencialmente habitables en un futuro no muy lejano”, dijo Line.

Lo que Line y el equipo esperan hacer a continuación es repetir este análisis para muchos más planetas y construir una «muestra» de mediciones atmosféricas en al menos 15 planetas más.

“Ahora estamos en el punto en el que podemos obtener precisiones de abundancia de gas comparables a las de los planetas de nuestro propio sistema solar. Medir la abundancia de carbono y oxígeno (y otros elementos) en las atmósferas de una muestra más grande de exoplanetas proporciona un contexto muy necesario para comprender los orígenes y la evolución de nuestros propios gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno”, Dijo Line.

También están esperando ansiosamente lo que los futuros telescopios podrán ofrecer.

«Si podemos hacer eso con la tecnología actual, piense en lo que seremos capaces de hacer con los telescopios emergentes como el Telescopio Gigante de Magallanes», dijo Line. «Es una posibilidad real que podamos usar este mismo método a finales de esta década para detectar posibles firmas de vida, que también contienen carbono y oxígeno, en planetas rocosos similares a la Tierra más allá de nuestro propio sistema solar».

Referencia: «A solar C / O y metalicidad sub-solar en una cálida atmósfera de Júpiter» por Michael R. Line, Matteo Brogi, Jacob L. Bean, Siddharth Gandhi, Joseph Zalesky, Vivien Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Mace, Megan Mansfield, Eliza M.-R. Kempton, Jonathan J. Fortney, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience, Emily Rauscher, Jean-Michel Désert y Joost P. Wardenier, 27 de octubre de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Además de Line, el equipo de investigación incluye a Joseph Zalesky, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience y Peter Smith de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU; Matteo Brogi y Siddharth Gandhi de Universidad de Warwick (REINO UNIDO); Jacob Bean y Megan Mansfield de Universidad de Chicago; Vivien Parmentier y Joost Wardenier de Universidad de Oxford (REINO UNIDO); Gregory Mace de la Universidad de Texas en Austin; Eliza Kempton de la Universidad de Maryland; Jonathan Fortney de la Universidad de California, Santa Cruz; Emily Rauscher de la Universidad de Michigan; y Jean-Michel Désert de la Universidad de Amsterdam.