Moléculas de agua brillante delatan un lejano planeta con estratosfera

03/08/2017

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Exeter, realizó el nuevo descubrimiento observando moléculas de agua brillantes en la atmósfera del exoplaneta WASP-121b con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA.

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La evidencia más fuerte hasta la fecha de una estratosfera en un mundo fuera del sistema solar ha sido detectada en un planeta enorme, con una atmósfera lo suficientemente caliente para hervir hierro.

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Exeter, realizó el nuevo descubrimiento observando moléculas de agua brillantes en la atmósfera del exoplaneta WASP-121b con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA.

Para estudiar la estratosfera del gigante gaseoso -una capa de atmósfera donde la temperatura aumenta con altitudes más elevadas- los científicos utilizaron la espectroscopía para analizar cómo cambió el brillo del planeta a diferentes longitudes de onda de la luz.

El vapor de agua en la atmósfera del planeta, por ejemplo, se comporta de manera predecible en respuesta a diferentes longitudes de onda de luz, dependiendo de la temperatura del agua. A temperaturas más frescas, el vapor de agua en la atmósfera superior del planeta bloquea la luz de longitudes de onda específicas que se irradian desde capas más profundas hacia el espacio. Pero a temperaturas más altas, las moléculas de agua en la atmósfera superior brillan a estas longitudes de onda.

El fenómeno es similar a lo que ocurre con los fuegos artificiales, que obtienen sus colores de los productos químicos que emiten luz. Cuando las sustancias metálicas se calientan y se vaporizan, sus electrones se mueven a estados de energía más alta. Dependiendo del material, estos electrones emitirán luz en longitudes de onda específicas a medida que pierdan energía: el sodio produce amarillo-naranja y el estroncio produce rojo en este proceso, por ejemplo.

Las moléculas de agua en la atmósfera de WASP-121b también emiten radiación a medida que pierden energía, pero es en forma de luz infrarroja, que el ojo humano es incapaz de detectar. La investigación se publica en la revista científica Nature.

"Los modelos teóricos han sugerido que las estratosferas pueden definir una clase especial de exoplanetas ultra-calientes, con implicaciones importantes para la física y la química atmosféricas", dijo en un comunicado Tom Evans, autor principal e investigador de la Universidad de Exeter. "Cuando apuntamos el Hubble a WASP-121b, vimos moléculas de agua brillante, lo que implica que el planeta tiene una fuerte estratosfera".

WASP-121b, localizado a aproximadamente 900 años luz de la Tierra, es un exoplaneta gigante de gas comúnmente conocido como un "Júpiter caliente", aunque con una mayor masa y radio que Júpiter, haciéndolo mucho más hinchado. El exoplaneta orbita su estrella anfitriona cada 1,3 días, y está alrededor de la distancia más cercana que podría estar antes de que la gravedad de la estrella comenzara a separarla.

Esta proximidad también significa que la parte superior de la atmósfera se calienta a una temperatura de 2.500 grados Celsius - la temperatura a la que el hierro existe en gas en lugar de en forma sólida.

En la estratosfera de la Tierra, el ozono atrapa la radiación ultravioleta del sol, lo que eleva la temperatura de esta capa de atmósfera. Otros cuerpos del sistema solar tienen estratosferas, también - el metano es responsable del calentamiento en las estratosferas de Júpiter y la luna de Saturno Titán, por ejemplo. En los planetas del sistema solar, el cambio de temperatura dentro de una estratosfera es típicamente menor de 100 grados Celsius. Sin embargo, en WASP-121b, la temperatura en la estratosfera aumenta 1.000 grados Celsius.

"Hemos medido un fuerte aumento en la temperatura de la atmósfera de la WASP-121b a mayores altitudes, pero aún no sabemos qué está causando esta dramática calefacción", dice Nikolay Nikolov, coautor e investigador de la Universidad de Exeter. "Esperamos abordar este misterio con próximas observaciones en otras longitudes de onda".

El óxido de vanadio y los gases de óxido de titanio son fuentes de calor candidatas, ya que absorben fuertemente la luz de las estrellas en longitudes de onda visibles, similares a la radiación UV absorbente del ozono. Se espera que estos compuestos estén presentes sólo en los Júpiter más calientes, tales como WASP-121b, ya que se requieren altas temperaturas para mantenerlos en estado gaseoso.

De hecho, el óxido de vanadio y el óxido de titanio se observan comúnmente en enanas marrones, "estrellas fallidas" que tienen algunas similitudes con los exoplanetas.

Las investigaciones anteriores que abarcan la última década han indicado una posible evidencia de estratosferas en otros exoplanetas, pero esta es la primera vez que se han detectado moléculas de agua brillante, la señal más clara para un exoplaneta con estratosfera.