Un equipo internacional de investigadores ha utilizado el Telescopio Espacial James Webb de la NASA para medir la temperatura del exoplaneta rocoso TRAPPIST-1 b. La medición se basa en la emisión térmica del planeta: energía térmica emitida en forma de luz infrarroja detectada por el instrumento de infrarrojo medio de Webb (MIRI). El resultado indica que el lado diurno del planeta tiene una temperatura de unos 450 grados Fahrenheit y sugiere que no tiene una atmósfera significativa.

Esta es la primera detección de cualquier forma de luz emitida por un exoplaneta tan pequeño y frío como los planetas rocosos de nuestro propio sistema solar. El resultado marca un paso importante para determinar si los planetas que orbitan estrellas pequeñas activas como TRAPPIST-1 pueden sustentar atmósferas necesarias para albergar vida. También es un buen augurio para la capacidad de Webb de caracterizar exoplanetas templados del tamaño de la Tierra utilizando MIRI.

“Estas observaciones realmente aprovechan la capacidad de infrarrojo medio de Webb”, dijo Thomas Greene, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA y autor principal del estudio publicado hoy en la revista Nature. “Ningún telescopio anterior ha tenido la sensibilidad para medir una luz tan tenue del infrarrojo medio”.

Planetas Rocosos que Orbitan Enanas Rojas Ultrafrías

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

TRAPPIST-1 b, el planeta más interno, tiene una distancia orbital de aproximadamente 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 sobre los 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", explicó Greene. “Pero también son muy activos: son muy brillantes cuando son jóvenes y emiten bengalas y rayos X que pueden acabar con una atmósfera”.

La coautora Elsa Ducrot de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA) en Francia, que formó parte del equipo que realizó estudios anteriores del sistema TRAPPIST-1, agregó: "Es más fácil caracterizar los planetas terrestres alrededor de estrellas más pequeñas y más frías". Si queremos comprender la habitabilidad alrededor de las estrellas M, el sistema TRAPPIST-1 es un gran laboratorio. Estos son los mejores objetivos que tenemos para observar las atmósferas de los planetas rocosos”.

Detectar una Atmósfera (o no)

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

Una forma de reducir la incertidumbre es medir la temperatura del planeta. “Este planeta está bloqueado por mareas, con un lado mirando hacia la estrella en todo momento y el otro en oscuridad permanente”, dijo Pierre-Olivier Lagage de CEA, coautor del artículo. “Si tiene 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 movía detrás de la estrella. Aunque TRAPPIST-1 b no es lo suficientemente caliente como para emitir su propia luz visible, tiene un brillo infrarrojo. Al restar el brillo de la estrella por sí solo (durante el eclipse secundario) del brillo de la estrella y el planeta combinados, pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta.

Medición de Cambios Minúsculos en el Brillo

La detección de Webb de un eclipse secundario es en sí misma un hito importante. Con la estrella más de 1.000 veces más brillante que el planeta, el cambio de 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, investigador postdoctoral del 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 tan solo un par de minutos”.

El equipo analizó 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 para hacer circular el calor. Tampoco vimos ningún signo de que el dióxido de carbono absorbiera la luz, lo que sería evidente en estas mediciones”.

Esta investigación se realizó como parte del programa 1177 de Webb Guaranteed Time Observation (GTO), que es uno de los ocho programas del primer año de ciencia de Webb diseñado para ayudar a caracterizar completamente el sistema TRAPPIST-1. Actualmente se están realizando observaciones adicionales del eclipse secundario de TRAPPIST-1 b, y ahora que saben lo buenos que pueden ser los datos, el equipo espera capturar eventualmente una curva de fase completa que muestre el cambio en el brillo en toda la órbita. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del día a la noche y confirmar si el planeta tiene atmósfera o no.

“Había un objetivo que soñaba con tener”, dijo Lagage, qe 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”.