El James Webb no halla atmósfera en el primer planeta Trappist, un mundo pequeño y rocoso como el nuestro

Esta es la primera detección de cualquier forma de luz emitida por un exoplaneta tan pequeño y tan frío como los planetas rocosos de nuestro propio sistema solar. El resultado marca un paso importante para determinar si los planetas que se mueven en órbita alrededor de pequeñas estrellas activas como Trappist-1 pueden mantener atmósferas necesarias para sustentar la vida. También es un buen augurio de la capacidad de Webb de utilizar el instrumento MIRI para caracterizar exoplanetas del tamaño de la Tierra con temperaturas templadas.

«Estas observaciones aprovechan muy bien la capacidad del infrarrojo medio de Webb», afirma en un comunicadoThomas Greene, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA y autor principal del estudio. «Ningún telescopio anterior ha tenido la sensibilidad para medir una luz del infrarrojo medio tan tenue».

A principios de 2017, los astrónomos informaron acerca del descubrimiento de estos siete planetas rocosos que están en órbita alrededor de una estrella enana roja ultrafría (o enana M) situada a 40 años luz de distancia de la Tierra. Lo que es notable acerca de los planetas es su similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos internos de nuestro propio sistema solar. Aunque todos ellos orbitan mucho más cerca de su estrella de lo que cualquiera de nuestros planetas orbita alrededor del Sol —todos podrían caber cómodamente dentro de la órbita de Mercurio—, reciben de su pequeña estrella cantidades comparables de energía.

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Trappist-1 b, el planeta más interno, tiene una distancia orbital de cerca de una centésima parte de la de la Tierra y recibe aproximadamente cuatro veces la cantidad de energía que la Tierra obtiene del Sol. Aunque no se encuentra dentro de la zona habitable del sistema, las observaciones del planeta pueden proporcionar información importante sobre sus planetas hermanos, así como de otros sistemas de enanas M.

«Hay diez veces más de estas estrellas en la Vía Láctea que estrellas como el Sol, y tienen el doble de probabilidades de tener planetas rocosos que estrellas como el Sol», explica Greene. «Pero también son muy activas: son muy brillantes cuando son jóvenes y emiten fulguraciones y rayos X que pueden destruir una atmósfera».

La coautora Elsa Ducrot, de la Comisión Francesa de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) en Francia, quien formó parte del equipo que llevó a cabo estudios anteriores del sistema TRAPPIST-1, agregó: «Es más fácil caracterizar planetas terrestres que se mueven en órbita alrededor de estrellas más pequeñas y frías. Si queremos entender la habitabilidad que hay en torno a las estrellas tipo M, el sistema TRAPPIST-1 es un gran laboratorio. Estos son los mejores objetivos que tenemos para observar las atmósferas de los planetas rocosos».

Las observaciones anteriores de TRAPPIST-1 b con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer no encontraron evidencia de una atmósfera inflada, pero no pudieron descartar una atmósfera densa.

Una forma de reducir la incertidumbre es medir la temperatura del planeta. «Este planeta está bloqueado por las mareas, con un lado que mira hacia la estrella en todo momento y el otro en oscuridad permanente», dijo Pierre-Olivier Lagage de CEA, quien es coautor del artículo. «Si posee una atmósfera para circular y redistribuir el calor, el lado diurno será más fresco que si no hubiera atmósfera».

El equipo utilizó una técnica llamada fotometría de eclipse secundario, en la que MIRI midió el cambio en el brillo del sistema a medida que el planeta se desplazaba detrás de la estrella. Aunque TRAPPIST-1 b no es lo suficientemente caliente como para emitir su propia luz visible, tiene un resplandor infrarrojo. Al restar el brillo propio de la estrella (durante el eclipse secundario) del brillo combinado de la estrella y el planeta, pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta.

La detección de Webb de un eclipse secundario es en sí misma un hito importante. La estrella observada es más de 1.000 veces más brillante que el planeta, y el cambio en el brillo es inferior al 0,1%.

«También había cierto temor de que nos perdiéramos el eclipse. Todos los planetas tiran unos de otros, por lo que las órbitas no son perfectas», dijo Taylor Bell, el investigador postdoctoral en el Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía que analizó los datos. «Pero fue simplemente increíble: la hora del eclipse que vimos en los datos coincidió con la hora prevista con una diferencia de menos de un par de minutos».

El equipo analizó los datos de cinco observaciones separadas de eclipses secundarios. «Comparamos los resultados con modelos informáticos que mostraban cuál debería ser la temperatura en diferentes escenarios», explicó Ducrot. «Los resultados son casi perfectamente consistentes con un cuerpo negro hecho de roca desnuda y sin atmósfera que haga circular el calor. Tampoco vimos ninguna señal de que la luz fuera absorbida por el dióxido de carbono, lo que sería evidente en estas mediciones».

Esta investigación fue realizada como parte del programa de Observaciones con Tiempo Garantizado de Webb (GTO, por sus siglas en inglés) número 1177, el cual es uno de los ocho programas del primer año de investigaciones científicas de Webb diseñados para ayudar a caracterizar completamente el sistema TRAPPIST-1. Actualmente están en curso observaciones adicionales de eclipses secundarios de TRAPPIST-1 b y, ahora que sabe lo buenos que pueden ser los datos, el equipo espera captar más adelante una curva de fase completa que muestre el cambio en el brillo a lo largo de toda la órbita. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del lado diurno al lado nocturno y confirmar si el planeta tiene atmósfera o no.

«Había un objetivo que soñaba con tener», dijo Lagage, quien trabajó en el desarrollo del instrumento MIRI durante más de dos décadas. «Y era este. Es la primera vez que podemos detectar la emisión de un planeta rocoso y templado. Este es un paso realmente importante en la historia del descubrimiento de exoplanetas».