El estudio de los «exoplanetas», el nombre que suena a ciencia ficción para todos los planetas del cosmos más allá de nuestro propio sistema solar, es un campo bastante nuevo. Principalmente, los investigadores de exoplanetas como los del ExoLab de la Universidad de Kansas utilizan datos de telescopios espaciales como el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial Webb. Siempre que los titulares de las noticias ofrecen hallazgos de planetas «similares a la Tierra» o con potencial para sustentar a la humanidad, están hablando de exoplanetas dentro de nuestra propia Vía Láctea.
Jonathan Brande, candidato a doctorado en el ExoLab de la Universidad de Kansas, acaba de publicar sus hallazgos en la revista científica de acceso abierto Las cartas del diario astrofísico mostrando nuevos detalles atmosféricos en un conjunto de 15 exoplanetas similares a Neptuno. Si bien ninguno podría sustentar a la humanidad, una mejor comprensión de su comportamiento podría ayudarnos a comprender por qué no tenemos un Neptuno pequeño, mientras que la mayoría de los sistemas solares parecen tener un planeta de esta clase.
«Durante los últimos años en KU, mi atención se ha centrado en estudiar las atmósferas de exoplanetas mediante una técnica conocida como espectroscopia de transmisión», dijo Brande. «Cuando un planeta transita, es decir, se mueve entre nuestra línea de visión y la estrella que orbita, la luz de la estrella pasa a través de la atmósfera del planeta y es absorbida por los diversos gases presentes. Al capturar un espectro de la estrella, pasando la luz «A través de un instrumento llamado espectrógrafo, similar a pasarlo a través de un prisma, observamos un arco iris, midiendo el brillo de los diferentes colores constituyentes. Las áreas variadas de brillo o oscuridad en el espectro revelan los gases que absorben la luz en la atmósfera del planeta».
Con esta metodología, Brande publicó hace varios años un artículo sobre el exoplaneta «cálido Neptuno» TOI-674 b, donde presentaba observaciones que indicaban la presencia de vapor de agua en su atmósfera. Estas observaciones fueron parte de un programa más amplio dirigido por el asesor de Brande, Ian Crossfield, profesor asociado de física y astronomía en KU, para observar atmósferas de exoplanetas del tamaño de Neptuno.
«Queremos comprender el comportamiento de estos planetas, dado que los ligeramente más grandes que la Tierra y más pequeños que Neptuno son los más comunes en la galaxia», dijo Brande.
Este artículo reciente de ApJL resume las observaciones de ese programa, incorporando datos de observaciones adicionales para abordar por qué algunos planetas aparecen nublados mientras que otros están despejados.
«El objetivo es explorar las explicaciones físicas detrás de las distintas apariencias de estos planetas», dijo Brande.
Brande y sus coautores prestaron especial atención a las regiones donde los exoplanetas tienden a formar nubes o brumas en lo alto de su atmósfera. Cuando estos aerosoles atmosféricos están presentes, el investigador de KU dijo que las neblinas pueden bloquear la luz que se filtra a través de la atmósfera.
«Si un planeta tiene una nube justo encima de la superficie con cientos de kilómetros de aire claro encima, la luz de las estrellas puede atravesar fácilmente el aire claro y ser absorbida sólo por gases específicos en esa parte de la atmósfera», dijo Brande. «Sin embargo, si la nube está situada muy alta, las nubes son generalmente opacas en todo el espectro electromagnético. Aunque las neblinas tienen características espectrales, para nuestro trabajo, en el que nos centramos en un rango relativamente estrecho con el Hubble, también producen espectros en su mayoría planos».
Según Brande, cuando estos aerosoles están presentes en lo alto de la atmósfera, no hay un camino claro para que se filtre la luz.
«Con el Hubble, el gas al que somos más sensibles es el vapor de agua», dijo. «Si observamos vapor de agua en la atmósfera de un planeta, es un buen indicio de que no hay nubes lo suficientemente altas como para bloquear su absorción. Por el contrario, si no se observa vapor de agua y sólo se ve un espectro plano, a pesar de saber que el planeta debería tener una atmósfera extendida, sugiere la probable presencia de nubes o brumas en altitudes más altas».
Brande dirigió el trabajo de un equipo internacional de astrónomos en el artículo, incluido Crossfield en KU y colaboradores del Instituto Max Planck en Heidelberg, Alemania, una cohorte dirigida por Laura Kreidberg, e investigadores de la Universidad de Texas, Austin, dirigidos por Caroline Morley.
Brande y sus coautores abordaron su análisis de manera diferente a los esfuerzos anteriores, centrándose en determinar los parámetros físicos de las atmósferas del pequeño Neptuno. Por el contrario, los análisis anteriores a menudo implicaban ajustar un único espectro de modelo a las observaciones.
«Por lo general, los investigadores tomarían un modelo atmosférico con contenido de agua previamente calculado, lo escalarían y lo cambiarían para que coincida con los planetas observados en su muestra», dijo Brande. «Este enfoque indica si el espectro está despejado o nublado, pero no proporciona información sobre la cantidad de vapor de agua o la ubicación de las nubes en la atmósfera».
En cambio, Brande empleó una técnica conocida como «recuperación atmosférica».
«Esto implicó modelar la atmósfera a través de varios parámetros del planeta, como la cantidad de vapor de agua y la ubicación de las nubes, iterando a través de cientos y miles de simulaciones para encontrar la configuración que mejor se ajuste», dijo. «Nuestras recuperaciones nos dieron un modelo de espectro que mejor se ajustaba a cada planeta, a partir del cual calculamos qué tan nublado o claro parecía estar el planeta. Luego, comparamos esas claridades medidas con un conjunto separado de modelos de Caroline Morley, que nos permitió ver «Nuestros resultados están en línea con las expectativas para planetas similares. Al examinar el comportamiento de las nubes y la neblina, nuestros modelos indicaron que las nubes se ajustaban mejor que las neblinas. El parámetro de eficiencia de sedimentación, que refleja la compacidad de las nubes, sugirió que los planetas observados tenían eficiencias de sedimentación relativamente bajas, lo que resulta en «En nubes esponjosas. Estas nubes, compuestas de partículas como gotas de agua, permanecieron elevadas en la atmósfera debido a su baja tendencia a sedimentarse».
Los hallazgos de Brande proporcionan información sobre el comportamiento de estas atmósferas planetarias y causaron un «interés sustancial» cuando los presentó en una reciente reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense.
Otros hallazgos
Además, Brande forma parte de un programa de observación internacional, dirigido por Crossfield, que acaba de anunciar hallazgos de vapor de agua en GJ 9827d, un planeta tan caliente como Venus a 97 años luz de la Tierra en la constelación de Piscis.
Las observaciones, realizadas con el Telescopio Espacial Hubble, muestran que el planeta puede ser sólo un ejemplo de planetas ricos en agua en la Vía Láctea. Fueron anunciados por un equipo dirigido por Pierre-Alexis Roy del Instituto Trottier para la Investigación de Exoplanetas de la Universidad de Montreal.
«Estábamos buscando vapor de agua en las atmósferas de planetas de tipo subneptuno», dijo Brande. «El artículo de Pierre-Alexis es el último de ese esfuerzo principal porque se necesitaron aproximadamente 10 u 11 órbitas o tránsitos del planeta para realizar la detección de vapor de agua. El espectro de Pierre-Alexis llegó a nuestro artículo como una de nuestras tendencias. puntos de datos, e incluimos todos los planetas de su propuesta y otros estudiados en la literatura, fortaleciendo nuestros resultados. Estuvimos en estrecha comunicación con ellos durante el proceso de ambos artículos para asegurarnos de que estábamos utilizando los resultados actualizados adecuados y reflejando con precisión sus recomendaciones.»
