¿Cómo determinó el JWST la temperatura de un exoplaneta? » CienciaABC

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El JWST ya es famoso por acceder a información que antes no se podía obtener. Ahora ha conseguido determinar la temperatura de un exoplaneta. Los astrónomos consideran ampliamente al Telescopio Espacial James Webb (JWST) como el pináculo de los telescopios espaciales. El telescopio más grande y potente jamás lanzado al espacio, es el sucesor del Telescopio Espacial Hubble.

Muchos creen que con el JWST podremos observar regiones del universo más distantes que nunca. Se compone de varias cámaras y espectrómetros que pueden detectar radiación infrarroja. Algunos de estos instrumentos incluyen el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSPEC), el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) y la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam).

Los científicos esperan obtener información que nos ayude a determinar cómo era el universo primitivo, junto con la formación y evolución de las galaxias y el nacimiento de estrellas dentro de gas y polvo nebulosos.

Sin embargo, otra misión esencial del JWST es investigar las atmósferas de exoplanetas y determinar si los planetas observados tienen los ingredientes necesarios para albergar vida.

El 27 de marzo de 2023, el JWST logró medir la temperatura diurna de un exoplaneta rocoso, TRAPPIST-1 b. En este artículo veremos cómo el JWST logró esto.

Ilustración artística del planeta TRAPPIST-1 b, con un lado siempre mirando hacia su estrella madre. El JWST recientemente logró medir su temperatura (Créditos: Dotted Yeti/Shutterstock)

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Midiendo teóricamente la temperatura de un planeta

En teoría, podemos medir la temperatura de los cuerpos celestes mediante una ley llamada Ley de Stefan-Boltzmann. Esta ley relaciona la temperatura de un cuerpo con su flujo (una medida de cuánta luz emite).

Entonces, para calcular teóricamente la temperatura de un planeta, necesitamos encontrar el flujo de su estrella madre (que se puede medir), la distancia entre ese planeta y su estrella, y el 'albedo' del planeta. El albedo es una cantidad que representa la fracción de la luz de las estrellas reflejada en un planeta.

Un planeta con un albedo de 1 (uno) reflejaría perfectamente toda la luz que incide sobre él, mientras que uno con un albedo de 0 (cero) absorbería toda la radiación que incide sobre él.

Este diagrama muestra cómo las nubes y la superficie de la Tierra reflejan y absorben la luz solar. El albedo explica la cantidad de luz solar que se refleja. (Créditos: ValentinaKru/Shutterstock)

Luego, los astrónomos determinan la temperatura del planeta utilizando el valor del albedo del planeta y el flujo total de su estrella anfitriona.

Este método de calcular la temperatura del planeta es un enfoque simple y bastante tosco, ya que no tiene en cuenta los procesos y mecanismos físicos internos de la atmósfera del planeta, como su redistribución del calor. Tampoco tiene en cuenta el hecho de que el lado cercano y lejano del planeta en relación con la estrella tendrán diferentes temperaturas.

Sin embargo, podemos desarrollar modelos que tengan en cuenta el efecto de la atmósfera en la redistribución del calor alrededor del planeta. Estos modelos también pueden explicar el impacto del bloqueo de las mareas, cuando un lado del planeta mira a la estrella para siempre, e incluso el color de la superficie del planeta (cuanto más oscura sea, más radiación del espacio será absorbida).

Medición de la temperatura de un planeta mediante MIRI

El JWST consta de varias cámaras y espectrómetros a bordo. Utilizando el instrumento de infrarrojo medio (MIRI), que consta de una cámara y un espectrógrafo, se midió la temperatura diurna del planeta TRAPPIST-1 b.

Este es un modelo del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) presente en el JWST (Créditos: Wikimedia Commons)

El MIRI realizó las observaciones fotométricas de TRAPPIST-1 b justo cuando comenzaba su eclipse secundario. Un eclipse secundario se refiere a cuando un exoplaneta comienza a ir detrás de su estrella anfitriona, visto por un observador como el JWST. El JWST tomó las observaciones utilizando el filtro F1500W del MIRI. Este filtro permite detectar radiación infrarroja de longitudes de onda particulares, como las que los científicos esperan ver en los exoplanetas.

Como TRAPPIST-1 b es un planeta, no emite luz propia. Sin embargo, brilla cuando se observa en el rango infrarrojo. El MIRI es, por tanto, una herramienta de observación ideal para exoplanetas. Al detectarlo en infrarrojos, podemos encontrar su flujo o brillo.

El MIRI, utilizando el filtro F1500W, observó TRAPPIST-1 b durante cinco instancias diferentes de observaciones secundarias. Los datos de observación consisten en la medición del brillo del planeta en radiación infrarroja. Luego, los científicos la reducen y optimizan mediante software y obtienen una «curva de luz» del exoplaneta.

Este diagrama da un ejemplo de una curva de luz. Este es el que se obtiene al observar el exoplaneta TRAPPIST-1 c, mientras sufre un eclipse secundario. (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)

La curva de luz muestra cómo el flujo infrarrojo disminuye cuando comienza el eclipse secundario. Antes de que comience este eclipse, el JWST registra el brillo de la estrella TRAPPIST-1 y su exoplaneta TRAPPIST-1 b. Sin embargo, cuando el planeta comienza a moverse detrás de su estrella, queda oculto a la vista del telescopio. Se muestra como una ligera disminución en el brillo observado por el JWST. Esta reducción del brillo se produce como una pequeña caída en la curva de luz.

Para obtener la temperatura del planeta, los astrónomos primero miden esta disminución de brillo, también llamada profundidad del eclipse, utilizando la curva de luz del exoplaneta. Encuentran el flujo del planeta durante el día utilizando este valor de profundidad. Luego, los astrónomos utilizaron la ley de radiación de Planck para determinar la temperatura.

Utilizando este método, la temperatura diurna del exoplaneta TRAPPIST-1 b se estimó en alrededor de 503 K.

Temperatura y atmósfera de TRAPPIST-1 B

Este diagrama ofrece una comparación de la temperatura de TRAPPIST-1 b medida con el JWST con la obtenida con modelos informáticos. También destaca la temperatura de la Tierra y Mercurio (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)

Mientras tanto, los modelos informáticos muestran que si no tuviera una atmósfera con una distribución adecuada del calor, TRAPPIST-1 b tendría una temperatura ligeramente superior a 500 K. Sin embargo, si TRAPPIST-1 b tuviera una atmósfera que distribuyera el calor uniformemente, su temperatura diurna se acercaría a los 400 K.

La comparación de esos modelos parece implicar que TRAPPIST-1 b es más probablemente un planeta rocoso sin atmósfera. Si tuviera atmósfera, el calor se distribuiría uniformemente sobre ella, bajando su temperatura durante el día.

Esta hazaña del JWST es sólo el comienzo. Su capacidad para encontrar un eclipse secundario es en sí misma un logro enorme. Al medir la temperatura de un planeta, podemos descubrir si tiene atmósfera, lo cual es un paso esencial para determinar si un planeta podría albergar vida.

Con más observaciones de este tipo de otros planetas, aprenderemos más sobre las posibilidades de que la vida evolucione en otros planetas. Descubrir más sobre los orígenes de la vida es también una de las misiones de JWST. Los científicos esperan que esta nueva generación de observaciones pueda proporcionar más información sobre las propiedades de las atmósferas presentes en otros exoplanetas del cosmos.

Referencias (haga clic para ampliar)

  1. Astronomía del Sistema Solar, Conferencia Número 8.
  2. Telescopio espacial James Webb | Universidad de Arizona.
  3. Instrumento de infrarrojo medio (MIRI): telescopio espacial James Webb.
  4. Ciencia del telescopio espacial James Webb.
  5. Webb de la NASA mide la temperatura de una roca….
  6. TP Greene. (2023) [2303.14849] Emisión térmica desde el tamaño de la Tierra….
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