Astrónomos utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA han detectado algo inesperado: una densa atmósfera alrededor de un planeta rocoso extremadamente caliente, más allá de nuestro Sistema Solar.
Este mundo, denominado TOI-561 b, es una supertierra de período ultracorto que orbita su estrella cada 10.5 horas, con un lado permanentemente iluminado por la luz del sol y el otro sumido en una noche eterna.
La creencia generalizada era que un planeta tan pequeño, caliente y cercano a su estrella debería haber perdido su atmósfera. Sin embargo, los datos del Webb sugieren lo contrario: una capa de gas rica en volátiles aún lo envuelve.
“Basándonos en lo que sabemos sobre otros sistemas, los astrónomos habrían predicho que un planeta como este es demasiado pequeño y caliente para retener su propia atmósfera”, afirmó Nicole Wallack, coautora del estudio, de la Universidad Carnegie Mellon. “Pero nuestras observaciones sugieren que está rodeado por una capa de gas relativamente densa.”
¿Por qué TOI-561 b es un enigma?
Incluso sin considerar su atmósfera, TOI-561 b presenta características inusuales. Su densidad es menor a la que se esperaría para un planeta compuesto principalmente de roca y hierro, lo que sugiere algo peculiar en su interior o exterior.
“No se trata de lo que llamamos un ‘super-puff’ o planeta ‘de algodón de azúcar’, pero es menos denso de lo que cabría esperar si tuviera una composición similar a la de la Tierra”, explicó Johanna Teske, autora principal del estudio.
Parte de la explicación podría residir en el origen del planeta. TOI-561 b orbita una estrella pobre en hierro en el disco grueso de la Vía Láctea, que es aproximadamente el doble de antigua que nuestro Sol.
“Debe haberse formado en un entorno químico muy diferente al de los planetas de nuestro propio Sistema Solar”, señaló Teske.
Esto sugiere que el planeta podría representar una clase de mundos de una época temprana, construidos a partir de materiales iniciales diferentes. Incluso así, un interior inusual por sí solo no puede explicar completamente la baja densidad.
Leyendo el brillo térmico de un planeta
Para distinguir entre roca desnuda y un mundo envuelto en gases, el equipo utilizó el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) del JWST para medir la temperatura del lado diurno del planeta.
Cuando TOI-561 b se ocultó detrás de su estrella (un eclipse secundario), Webb registró la pequeña disminución de la luz infrarroja, revelando la temperatura real del lado iluminado del planeta.
Un hemisferio desnudo, sin atmósfera y sin capacidad para compartir calor con el lado oscuro, debería alcanzar temperaturas cercanas a los 4,900°F (2,700°C).
En cambio, Webb detectó una temperatura más cercana a los 3,200°F (1,800°C). Aún infernal, pero cientos de grados más fría que una roca desnuda bajo esa intensa irradiación.
Señales de la atmósfera de un planeta
¿Qué podría mover tanto calor desde el lado diurno o impedir que Webb lo detecte? Un océano global de magma puede redistribuir la energía, pero sin ayuda probablemente no pueda transportar suficiente calor a través de un mundo bloqueado donde la corteza del lado nocturno podría solidificarse. Una fina capa de vapor de roca tampoco sería suficiente.
“Realmente necesitamos una atmósfera densa y rica en volátiles para explicar todas las observaciones”, dijo Anjali Piette, coautora del estudio.
Vientos rápidos podrían transportar el calor al lado nocturno. Gases como el vapor de agua absorberían parte del brillo infrarrojo antes de que escape, y nubes de silicatos brillantes podrían reflejar parte de la luz estelar entrante, enfriando aún más la cara que vemos.
Donde el magma alimenta el cielo
Si TOI-561 b realmente posee una atmósfera sustancial, ¿cómo ha sobrevivido a la implacable radiación de su estrella durante miles de millones de años? La explicación preferida por el equipo es un equilibrio dinámico entre una superficie fundida y el cielo que la cubre.
Los gases ascienden desde un océano global de magma para reponer la atmósfera, mientras que los fotones de alta energía eliminan moléculas. Al mismo tiempo, la atmósfera puede disolverse nuevamente en el interior fundido.
“Al mismo tiempo que los gases escapan del planeta para alimentar la atmósfera, el océano de magma los succiona de vuelta al interior”, explicó Tim Lichtenberg, coautor del estudio, de la Universidad de Groningen.
“Este planeta debe ser mucho, mucho más rico en volátiles que la Tierra para explicar las observaciones. Es realmente como una bola de lava mojada.”
Construido de manera diferente, nacido antes
Debido a que TOI-561 b se formó alrededor de una estrella antigua y pobre en metales, sus rocas podrían ser más ligeras que las de la Tierra, lo que podría implicar un núcleo de hierro más pequeño y un manto menos denso.
Esto por sí solo no crearía la firma de temperatura observada por Webb, pero se complementa con el escenario atmosférico para producir el radio y la masa medidos.
En otras palabras, un planeta forjado en las primeras etapas de la galaxia a partir de diferentes ingredientes, y luego esculpido durante eones por un calor extremo, aún puede aferrarse a una densa capa rica en volátiles.
Rastreo del calor alrededor de TOI-561 b
Estos resultados son los primeros del Programa de Observadores Generales 3860 del JWST, que observó el sistema continuamente durante más de 37 horas, casi cuatro órbitas del planeta, para capturar su brillo térmico y cómo cambia con la longitud.
El equipo combinó las mediciones de eclipse de NIRSpec con datos infrarrojos, ópticos, de rayos X y de radio de otros observatorios. En conjunto, los datos construyeron un caso sólido para la existencia de una atmósfera y ayudaron a sondear el entorno rico en polvo de la galaxia anfitriona.
“Lo realmente emocionante es que este nuevo conjunto de datos está abriendo aún más preguntas de las que está respondiendo”, dijo Teske.
Los próximos pasos implican el mapeo de la curva de fase, rastreando la temperatura alrededor de todo el planeta, para determinar los patrones de viento y refinar la composición de la atmósfera, desde el vapor de agua hasta las nubes de silicatos.
Redefiniendo las atmósferas de los planetas rocosos
Para los mundos rocosos, detectar cualquier atmósfera, y mucho menos alrededor de un planeta de océano de magma de período ultracorto, es un hito importante.
Amplía los lugares donde los científicos pueden esperar encontrar y estudiar atmósferas, desde objetivos de tamaño similar a la Tierra y templados hasta planetas de lava infernales que desafían los modelos de escape atmosférico.
Estos avances impulsados por el JWST se basan directamente en una sólida experiencia en la comprensión de cómo la evolución y la dinámica planetaria dan forma a las características de los exoplanetas.
Como dijo Wallack, este resultado “subvierte la sabiduría convencional” sobre cómo evolucionan los planetas pequeños y cercanos a sus estrellas.
También plantea una posibilidad tentadora. Un mundo tan extremo puede mantener una atmósfera densa en equilibrio con una superficie fundida durante miles de millones de años. Esto abre la puerta a encontrar atmósferas en muchos otros planetas rocosos.
El estudio se publicó en The Astrophysical Journal Letters.
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