El telescopio espacial de la NASA ha conseguido realizar un retrato molecular y químico de los componentes atmosféricos del exoplaneta WASP-39 b, un gigante del tamaño de Saturno que orbita alrededor de una estrella situada a unos 700 años luz. Las observaciones proporcionan un menú completo de átomos y moléculas, así como signos de química activa y nubes. El conjunto de descubrimientos se detalla en una serie de cinco artículos científicos elaborados por una colaboración internacional en la que participa personal investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

WASP-39 b es un planeta diferente a todos los de nuestro sistema solar. Se trata de un denominado "Saturno caliente" -un planeta con una masa similar a la de Saturno, pero con una órbita más estrecha que la de Mercurio-, que orbita alrededor de una estrella situada a unos 700 años luz. Este exoplaneta fue uno de los primeros examinados por el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA cuando empezó a realizar operaciones científicas regulares. Ahora, los resultados obtenidos de estas observaciones han entusiasmado a la comunidad científica dedica al estudio de los exoplanetas.

Los instrumentos extremadamente sensibles del JWST han proporcionado un perfil de los componentes atmosféricos de WASP-39 b y han identificado multitud de elementos y moléculas, como agua, dióxido de azufre, monóxido de carbono, sodio y potasio. Los datos también sugieren la presencia de nubes que podrían estar fragmentadas en lugar de formar un manto único y uniforme sobre el planeta.

"Observamos el exoplaneta con múltiples instrumentos que, juntos, proporcionan una amplia franja del espectro infrarrojo y una gran variedad de huellas químicas inaccesibles hasta esta misión", explica Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California en Santa Cruz (UCSC)). "Datos como estos cambian las reglas del juego", añade.

Entre las distintas revelaciones se encuentra la primera detección en la atmósfera de un exoplaneta de dióxido de azufre (SO2), una molécula producida por reacciones químicas desencadenadas por la luz de alta energía de la estrella madre del planeta. En la Tierra, la capa protectora de ozono de la atmósfera superior se crea de forma similar.

"Es la primera vez que vemos pruebas concretas de la fotoquímica, es decir, reacciones químicas iniciadas por la luz estelar, en los exoplanetas", afirma Shang-Min Tsai, investigador de la Universidad de Oxford y autor principal del artículo que explica el origen del dióxido de azufre en la atmósfera de WASP-39 b.

Para ver la luz de WASP-39 b, el JWST rastreó el planeta mientras pasaba por delante de su estrella, permitiendo que parte de la luz de la estrella se filtrara a través de la atmósfera del planeta. Los distintos tipos de sustancias químicas de la atmósfera absorben diferentes colores del espectro de la luz estelar, por lo que los colores que faltan indican a los astrónomos qué moléculas están presentes. Al observar el universo en luz infrarroja, el JWST puede captar huellas químicas que no pueden detectarse en luz visible.

Otros componentes atmosféricos detectados por el JWST son el sodio (Na), el potasio (K) y el vapor de agua (H2O), lo que confirma las observaciones anteriores realizadas con telescopios espaciales y terrestres, así como el hallazgo de otras huellas de agua, en estas longitudes de onda más largas, que no se habían visto antes. El JWST también observó el dióxido de carbono (CO2) a mayor resolución, proporcionando el doble de datos que los reportados en sus observaciones anteriores. Por otra parte, se detectó monóxido de carbono (CO), pero los datos del JWST no mostraron señales evidentes de metano (CH4) ni de sulfuro de hidrógeno (H2S). Si están presentes, estas moléculas se encuentran en niveles muy bajos en la atmosfera.

Para captar este amplio espectro de la atmósfera de WASP-39 b, un equipo internacional de cientos de personas analizó de forma independiente los datos obtenidos por los instrumentos del telescopio espacial. "Habíamos predicho lo que el JWST nos mostraría, pero era más preciso, más diverso y más bello de lo que realmente creía que sería", afirma Hannah Wakeford, astrofísica de la Universidad de Bristol.

Disponer de una lista tan completa de ingredientes químicos en la atmósfera de un exoplaneta también permite a los científicos conocer la abundancia de los distintos elementos en relación con los demás, como las proporciones de carbono-oxígeno o potasio-oxígeno. Esto, a su vez, ayuda a comprender cómo se formó este planeta, y posiblemente otros, a partir del disco de gas y polvo que rodea a la estrella madre en sus primeros años. El inventario químico de WASP-39 b sugiere una historia de impactos y fusiones de cuerpos más pequeños, llamados planetesimales, para crear finalmente un planeta gigantesco.

"La abundancia de azufre en relación con el hidrógeno indica que el planeta presumiblemente experimentó una acreción significativa de planetesimales que pueden aportar estos ingredientes a la atmósfera", afirma Kazumasa Ohno, investigador de la UCSC que trabajó en los datos de Webb. "Los datos también indican que el oxígeno es mucho más abundante que el carbono en la atmósfera. Esto indica potencialmente que WASP-39 b se formó originalmente lejos de la estrella central", señala.

Al analizar con tanta precisión la atmósfera de un exoplaneta, los instrumentos del telescopio Webb superaron con creces las expectativas de los científicos, y prometen una nueva fase de exploración entre la amplia variedad de exoplanetas de la galaxia. “Estos resultados son una confirmación de la capacidad de los instrumentos de JWST para explorar la atmosferas de todo tipo de exoplanetas, incluidos los mundos pequeños y rocosos”, subraya Enric Pallé, investigador del IAC que ha participado en el estudio.

"Vamos a poder ver el panorama general de las atmósferas de los exoplanetas ­–apunta Laura Flagg, investigadora de la Universidad de Cornell y miembro del equipo internacional–. Es increíblemente emocionante saber que todo se va a reescribir; esa es una de las mejores partes de ser científico".

El telescopio James Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).

Artículos:

Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec G395H (Alderson et al.)

Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec PRISM (Rustamkulov et al.)

Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRCam (Ahrer et al.)

Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRISS (Feinstein et al.)

Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere (Tsai et al.)

Contacto en el IAC:

Enric Pallé, epalle [at] iac.es (epalle[at]iac[dot]es)