Telescopio Espacial James Webb: detección de CO2 en el exoplaneta WASP-39b
Año 20 Número 78 – Septiembre 2022
Por Gabriela Parisi
El telescopio espacial James Webb o JWST por sus siglas en Inglés, es un telescopio infrarrojo con un espejo primario de 6 metros y medio de diámetro (Figura 1). Este espejo es el ojo que recoge la luz procedente del espacio y la proporciona a los instrumentos científicos ubicados junto con el espejo en el telescopio para ser analizada.
Figura 1: Espejo primario del JWST. Creditos NASA/Chris creditos Gunn.
El JWST fue lanzado en un cohete Ariane 5 desde la Guayana Francesa el 25 de Diciembre de 2021 https://youtu.be/9tXlqWldVVk y es una colaboración principalmente entre la NASA, la Agencia Espacial Europea ESA y la Agencia Espacial Canadiense CSA.
El JWST será el principal observatorio de la próxima década, y estudiará los primeros resplandores luminosos después del Big Bang hace 13.5 billones de años, la formación de sistemas planetarios capaces de soportar la vida en planetas como la Tierra, y la evolución de nuestro propio Sistema Solar.
Los cuatro instrumentos del telescopio son la cámara NIR-CAM y el espectrógrafo NIRSpec en el infrarrojo cercano, la camara y espectrógrafo MIRI en el infrarrojo medio, y el instrumento FGN/NIRISS. Estos instrumentos tienen detectores que pueden registrar señales extremadamente débiles que premiten la detección y caracterización de exoplanetas, y la composición de sus atmósferas.
La espectroscopia es la ciencia de medir la intensidad de la luz en diferentes longitudes de onda. Los diferentes elementos y moléculas absorben la luz a longitudes de onda (energías) características, y así sabemos en qué parte de un espectro podríamos ver la energía correspondiente por ejemplo al sodio, al metano, al agua, o al dioxido de carbono (CO2), si estás moléculas están presentes. Las representaciones gráficas de estas mediciones se llaman espectros, y son la clave para conocer la composición de las atmósferas de exoplanetas (ver Figura 2). Cuando un planeta pasa frente a una estrella, la luz de la estrella pasa a través de la atmósfera del planeta. Si, por ejemplo, el planeta tiene sodio en su atmósfera, el espectro de la estrella sumado al del planeta, tendrá lo que llamamos una «línea de absorción» en el lugar de los espectros donde se esperaría ver sodio, como se muestra en la Figura 3.
Figura 2: Esquema de espectroscopia estelar.
Figura 3: La presencia de sodio en la atmósfera del exoplaneta Júpiter Caliente HD 209458 se mide estudiando su espectro. Crédito: A. Feild, STScI.
La Figura 4, muestra el espectro de transmisión del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b, capturado por el NIRSpec del JWST el 10 de julio de 2022, que revela la primera evidencia definitiva de dióxido de carbono en la atmósfera de un planeta fuera del Sistema Solar. Este es el primer espectro de transmisión detallado jamás capturado que cubre longitudes de onda entre 3 y 5,5 micrones.
Figura 4: Exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b (espectro de transmisión NIRSpec) Credito: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI). Science: The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team.
Un espectro de transmisión se realiza comparando la luz estelar filtrada a través de la atmósfera de un planeta a medida que se mueve frente a la estrella, con la luz estelar sin filtrar detectada cuando el planeta está al lado de la estrella. Cada uno de los 95 puntos de datos (círculos blancos) en este gráfico representa la cantidad de una longitud de onda específica de luz que es bloqueada por el planeta y absorbida por su atmósfera. Las longitudes de onda absorbidas por la atmósfera aparecen como picos en el espectro de transmisión. El pico centrado alrededor de 4,3 micrones representa la luz absorbida por el dióxido de carbono. La curva azul es el modelo realizado para el espectro de WASP-39 a partir de los datos observados, el cual asume que el planeta está hecho principalmente de hidrógeno y helio con pequeñas cantidades de agua y dióxido de carbono, con un delgado velo de nubes.
WASP-39 b es un exoplaneta gigante gaseoso caliente con una metalicidad y masa similares a las de Saturno, que orbita una estrella similar al Sol a unos 700 años luz de distancia, en la constelación de Virgo. El planeta orbita extremadamente cerca de su estrella (menos de 1/20 de la distancia entre la Tierra y el Sol) y completa una órbita en poco más de cuatro días terrestres. El descubrimiento del planeta, basado en observaciones terrestres, se anunció en 2011. La estrella, WASP-39, tiene aproximadamente el mismo tamaño, masa, temperatura y color que el Sol.
Webb no ha capturado una imagen directa del planeta o su atmósfera.