Se revelan los colores de los exoplanetas

El 20 de diciembre de 2012, como en cada una de sus revoluciones, el planeta Isis (apodo que le dimos al planeta HD 189733b) desaparece brevemente detrás de su estrella, un sol naranja. Pero ese día, lo hizo bajo la atenta mirada del telescopio espacial Hubble . Los astrofísicos aprovecharon este eclipse para determinar el color del planeta: la estrella sería azul profundo, «azul océano». Este tono más frecuentemente asociado con la Tierra tendría un origen muy diferente. Isis es un planeta gaseoso gigante, como Júpiter, y por lo tanto no contiene agua líquida. Y si el oro azul no es responsable del color de Isis, lo son otros compuestos. Una capa de nubes a gran altitud compuesta de gotas de vidrio sería la causa del océano azul de este planeta. En términos más generales, los astrofísicos esperan explotar la sombra de los exoplanetas, planetas fuera del Sistema Solar, para determinar la composición de su atmósfera y su superficie.

En los últimos veinte años, gracias a varios telescopios, los investigadores han descubierto más de 1,000 exoplanetas; y más de 3.500 candidatos están esperando confirmación. Estos cuerpos son numerosos en la Vía Láctea. Pero más allá de su censo simple, los astrofísicos quieren establecer sus características (tamaño, densidad, temperatura, composición, clima) y comprender su formación. Una de las primeras conclusiones que se pueden extraer de este trabajo es que existen exoplanetas en muchas formas, algunas de las cuales son desconocidas en el Sistema Solar. Los investigadores esperan observar una amplia variedad de colores, reflejando esta diversidad. Por lo tanto, algunos planetas serían negros o casi, otros morados, otros aún azules, etc. Sin embargo, el color de los exoplanetas comienza a ser accesible para los astrofísicos, quienes pueden usar esta información para comprender mejor estos cuerpos celestes.

El color de un exoplaneta es una especie de huella digital de la atmósfera planetaria, ya que resulta de la interacción de esta atmósfera con la luz de la estrella. Como explicaremos, la sombra de un planeta permite determinar la composición de su atmósfera y traiciona la presencia o ausencia de nubes. Y los astrofísicos esperan mejorar las capacidades de sus instrumentos para obtener aún más información: detectar la presencia de actividad tectónica, agua líquida e incluso vida, por ejemplo, en forma de vegetación capaz de fotosíntesis. También presentaremos las técnicas utilizadas para medir el color de un exoplaneta y los primeros resultados obtenidos en un tipo particular de planeta, comparable a Isis. Finalmente discutiremos las líneas de investigación para los próximos años.

El principio del vínculo entre el color de un planeta y su composición no es reciente. En una noche despejada, se puede observar fácilmente el color de Marte, el «planeta rojo». Los griegos y los romanos asociaron este color con el fuego y la sangre, de ahí la atribución del planeta al dios de la guerra. Ahora sabemos que este color se debe al reflejo de la luz solar en rocas «oxidadas», ricas en hierro oxidado (Fe2O3), en la superficie de Marte. Si el fuego no tiene nada que ver con Marte, que es un planeta frío, el paralelo con la sangre es más apropiado: en la sangre oxigenada, la hemoglobina que contiene hierro se convierte en oxihemoglobina, lo que le da a la sangre su color rojo intenso .

Del mismo modo, el resplandor blanco de Venus, la «estrella del Pastor», justo después del atardecer, proviene de las gruesas nubes de ácido sulfúrico que lo cubren por completo. Estas nubes devuelven la luz solar, en todo el espectro del dominio visible, al espacio.

Finalmente, vivimos en el «planeta azul», un punto azul pálido en la fotografía tomada en 1990 por la sonda Traveler 1 de los límites del Sistema Solar, a una distancia de 6, 4 mil millones de kilómetros. Este azul pálido de la Tierra se debe a la combinación de dos efectos: el azul profundo de los océanos, que absorbe de manera más efectiva los componentes verde y rojo de la luz, y el blanco brillante de las nubes, que reflejan la luz solar blanca hacia el espacio. El análisis de un espectro electromagnético detallado de la Tierra también revela la presencia de ozono, oxígeno, vapor de agua y vegetación.

Dichos análisis se aplican a todos los planetas y satélites del Sistema Solar, ya que es posible observarlos directamente y medir su espectro. Desafortunadamente, este no es el caso de los exoplanetas. De hecho, estos están en su mayor parte muy cerca de su estrella. La luz reflejada por el planeta se ahoga en el intenso resplandor de la estrella. Sin embargo, los investigadores han desarrollado técnicas para observar indirectamente los exoplanetas y determinar su color.

El exoplaneta Isis es bien conocido por los especialistas, y las observaciones que hemos hecho son parte de una larga serie que comenzó en 2005 con el descubrimiento de este planeta, en el Observatorio de Alta Provenza. Las medidas permiten dibujar un retrato cada vez más detallado. Durante el eclipse del exoplaneta observado por Hubble en 2012, utilizamos el espectrógrafo STIS, uno de los instrumentos a bordo, para analizar el espectro de emisión de luz del sistema estelar (planeta estelar). El telescopio espacial arregló la estrella durante seis horas, mientras que el planeta se deslizó detrás de ella y resurgió en el otro lado. El período orbital de Isis, su «año», es de solo dos días y cinco horas, y su eclipse dura una hora y media.

Nuestro equipo observó una variación pequeña, pero medible, en la intensidad de la luz durante el eclipse. De hecho, la luz emitida por el sistema estelar está dominada por la radiación de la estrella, pero una pequeña parte proviene del planeta que refleja la recibida de su sol. Durante el eclipse, esta contribución desaparece, de ahí la caída del brillo medido. Pero la disminución no es la misma para todas las longitudes de onda: si bien el brillo del sistema apenas cambia en verde y rojo, se ha observado un déficit en azul. Esto significa que el planeta emite principalmente luz azul, que corresponde a su color.

Nuestras mediciones recientes con el telescopio Hubble sugieren que el color de Isis es similar al de los océanos profundos en la Tierra. La similitud se detiene allí: se excluye la presencia de agua líquida en la superficie de Isis. Es un planeta gaseoso gigante, cuya atmósfera está compuesta principalmente de hidrógeno, como Júpiter. Pero Isis está en órbita alrededor de su estrella a una distancia casi 100 veces más corta, que lleva su atmósfera a casi 1000 ° C. A esta temperatura, el agua solo existiría en la atmósfera en forma de vapor transparente, al igual que otras moléculas como el metano, amoníaco o ácido sulfúrico, que forman las nubes de los planetas del Sistema Solar.

Creemos que el color de Isis se explica por el efecto de dos componentes de su atmósfera, los vapores de sodio y una neblina de silicatos.

Planetas oscuros y morados

El sodio es el sexto elemento más común en la Tierra: representa el 2.6 por ciento de la corteza terrestre en diferentes formas, incluida la sal marina (cloruro de sodio, NaCl). En el horno de la atmósfera de Isis, el sodio está en estado gaseoso. Es el único elemento, en atmósferas planetarias, capaz de absorber la luz visible (la mayoría de los otros átomos se absorben más bien en el ultravioleta). De hecho, de los primeros estudios sobre la atmósfera de las faldas calientes, el nombre dado a los planetas gaseosos calientes gigantes, Los modelos teóricos predijeron que estos planetas serían muy oscuros en lo visible, porque lo absorberían, por el sodio, más del 90 por ciento de la luz estelar incidente. Este elemento absorbe, en condiciones de laboratorio, en naranja (con dos longitudes de onda bien definidas). Pero, en una falda caliente, la presión, a través de las colisiones e interacciones de las moléculas, amplía los picos de absorción, que luego cubren una gran parte del espectro visible (ver recuadro en la página 26) [ . Estos planetas son, por lo tanto, oscuros con un tono púrpura.

El telescopio espacial estadounidense Kepler , diseñado para buscar exoplanetas y, en particular, planetas del tipo Tierra, midió la luz reflejada de una docena de faldas calientes y demostró que estos planetas absorben mucha más luz de lo que piensan. Estas observaciones confirman la hipótesis de las faldas oscuras, probablemente debido al sodio. Sin embargo, la cámara de Kepler no distingue las longitudes de onda y, por lo tanto, no puede determinar los colores y, por lo tanto, confirmar el tinte púrpura de estos gigantes planetas gaseosos calientes. Un caso notable de Júpiter caliente es el exoplaneta TrES-2b, que devuelve menos del uno por ciento de la luz solar; lo hace mucho más oscuro que cualquier otro planeta conocido e incluso los pigmentos más oscuros utilizados en la pintura. El sodio por sí solo no permite obtener un planeta tan oscuro, sin duda intervienen otros factores, pero no sabemos cuáles.

Nuevamente a partir de las observaciones de Kepler , los astrofísicos también encontraron una excepción a la regla de las faldas calientes oscuras. Kepler-7b es bastante brillante con un factor de reflexión, o albedo, de alrededor del 35 por ciento. Esta anomalía se atribuye a las nubes, pero su naturaleza aún se desconoce.

El prototipo de faldas calientes es el planeta Osiris, descubierto en 1999 y ampliamente observado desde entonces. El radio de su órbita es de siete millones de kilómetros, el equivalente al séptimo de la distancia entre Mercurio y el Sol. Su revolución dura 3,5 días y su temperatura superficial es de alrededor de 1.440 Kelvin (1.167 ° C).

Vapores de sodio en Osiris e Isis

La firma espectral de sodio en la atmósfera de este planeta se detectó en 2002 con el telescopio Hubble (esta fue la primera observación de la atmósfera de un exoplaneta). El satélite canadiense MOST luego midió que el planeta estaba devolviendo menos del nueve por ciento de la luz incidente. Estos dos elementos parecen confirmar que Osiris es un planeta «muy púrpura oscuro».

¿Por qué entonces detectamos azul brillante para Isis? ? Al igual que con Kepler-7b, la respuesta está, en nuestra opinión, vinculada a la presencia de nubes o nieblas. La idea es que las nubes, presentes en la atmósfera superior, devuelvan el componente azul de la luz de la estrella, antes de que ingrese a la capa rica en sodio. Si las nubes están compuestas de partículas muy finas, pensarán muy efectivamente sobre la luz azul, por el fenómeno de «difusión de Rayleigh», que también está en el origen del color azul del cielo de la Tierra (ver recuadro en la página 26) .

¿Qué está transmitiendo Rayleigh? ? Cuando hay moléculas o partículas más pequeñas que la longitud de onda de la luz incidente, la probabilidad de difusión depende de la longitud de onda: es inversamente proporcional a la potencia 4 de la longitud de onda. Por lo tanto, la luz azul (longitud de onda de aproximadamente 400 nanómetros) es aproximadamente 16 veces más difusa que la luz roja (aproximadamente 800 nanómetros).

En la Tierra, la difusión de los rayos solares por las moléculas de nitrógeno y oxígeno es, por lo tanto, responsable del azul del cielo (el azul de estos rayos se difunde en la atmósfera). Durante una puesta de sol, los rayos pasan a través de un mayor grosor de atmósfera; El azul de estos rayos se difunde, lo que deja un tinte predominantemente rojo.

En la atmósfera de una falda caliente, las nubes capaces de formarse son muy diferentes de las de los planetas del Sistema Solar. Debido a la alta temperatura, están compuestos de gotas microscópicas o cuentas de materiales muy resistentes al calor. La lista de compuestos capaces de formar nubes en atmósferas muy cálidas incluye silicatos (óxidos de silicio, el componente principal de las rocas en nuestro planeta), hierro, óxido de aluminio y óxido de titanio. Estos compuestos son sólidos en la corteza terrestre; dependiendo de su estructura cristalina, forman vidrio, cuarzo, zafiro o rubí. En la atmósfera de una falda caliente, estos compuestos pueden evaporarse y recondensarse, probablemente en forma de líquido amorfo o células sanguíneas sólidas que podrían describirse como «gotas de lava» o «lluvia de vidrio».

Antes de medir el color de Isis en 2012, ya teníamos indicios de la presencia de tales partículas de vidrio en la atmósfera de este planeta. En 2007, con el telescopio Hubble, observamos el paso del planeta frente a su estrella: un «tránsito». Sin embargo, existe una técnica para medir el espectro de luz de la estrella filtrada por la atmósfera del planeta. De este modo, detectamos la firma característica de la difusión de Rayleigh, como una puesta de sol en la Tierra. Por lo tanto, podríamos concluir que hay moléculas o pequeñas partículas en Isis capaces de difundir la luz.

Según nuestras mediciones de temperatura, la hipótesis más natural es la presencia en Isis de una niebla de pequeñas partículas (menos de 100 nanómetros de diámetro) que consiste principalmente en silicatos en forma de vidrio.

Sin embargo, esta observación no determinó el color de Isis. Las dos mediciones relacionadas con la emisión de luz de la atmósfera de este planeta, durante el tránsito y durante el eclipse, permitieron establecer la presencia de una niebla de partículas de silicatos, una «lluvia de vidrio», en la atmósfera superior.

Una niebla de silicatos en Isis

Esta niebla se formaría en el lado oscuro del planeta, es decir, la cara que no está expuesta y calentada por la estrella. Este hemisferio siempre sería el mismo, debido al fenómeno de la rotación sincrónica: las fuerzas de marea ejercidas por la estrella terminan haciendo coincidir los períodos orbitales anuales y diarios (de la misma manera que la Luna siempre tiene el mismo lado de la Tierra). La diferencia de temperatura entre el hemisferio iluminado y el que permanece a la sombra es entonces alta: varios cientos de grados. Esto da como resultado fuertes corrientes atmosféricas: los modelos sugieren que la atmósfera de Isis es el asiento de los vientos que soplan más de 7,000 kilómetros por hora. Estas corrientes redistribuyen el calor de la cara iluminada al otro lado y, al mismo tiempo, dispersan la niebla de vidrio en todo el planeta, de ahí su color azul profundo.

Isis es hasta la fecha el único planeta cuyo color se ha determinado en lo visible. Después de una importante campaña de observación con Hubble , dirigida por David Sing de la Universidad de Exeter, medimos el «espectro del sol dormido» para diez faldas calientes. Esto nos permitió presentar algunas hipótesis sobre la diversidad de las atmósferas de estos planetas.

Parece que el púrpura oscuro de Osiris y el azul profundo de Isis definen las dos clases principales de faldas calientes donde prevalecen temperaturas de alrededor de 1000 ° C. La diferencia está relacionada con la presencia o ausencia de una niebla de silicato.

Otras faldas calientes tienen temperaturas más altas, 2000 ° C y superiores. A estas temperaturas, las partículas de silicato se vaporizan y el gas resultante es transparente en lo visible. Pero en estas condiciones, los modelos predicen que los planetas son oscuros y grises, debido a la gran absorción de luz visible por los vapores de óxido de titanio (que precipitan en granos sólidos a una temperatura más baja, de ahí su ausencia en la atmósfera superior de Isis y Osiris por ejemplo).

No observamos ningún rastro de óxido de titanio en los espectros de los planetas en nuestra muestra. Pero medimos el efecto de las nubes, cuya firma espectral podría explicarse por otro compuesto que resiste bien a altas temperaturas, óxido de aluminio o alúmina (Al2O3). Este compuesto es el componente principal de rubíes y zafiros; pero en una atmósfera cálida, en lugar de cristales de color puro, se esperan glóbulos más prosaicos que se asemejan a microperlas de vidrio sucio. En este punto de nuestras observaciones, todos estos supuestos siguen siendo preliminares y podrían cambiarse a la luz de nuevas observaciones y nuevos modelos.

Dos décadas de descubrimiento nos han enseñado que los exoplanetas son numerosos y de gran diversidad. Por lo tanto, hay varios tipos de planetas ausentes de nuestro Sistema Solar. Las faldas calientes son la familia de exoplanetas más conocida, pero estamos buscando activamente superterres (planetas telúricos más grandes que la Tierra). Algunos planetas pueden ser de cinco a diez veces más masivos que la Tierra, pero la composición de su atmósfera y su superficie aún no se ha determinado. Los argumentos teóricos sugieren que también hay planetas oceánicos (cubiertos con agua) o planetas de lava (planetas rocosos demasiado calientes para que el magma se solidifique).

El trabajo meticuloso de caracterizar cada uno de los exoplanetas descubiertos lleva tiempo. Una de las conclusiones más notables de la cosecha de observaciones en los últimos años es que todas las combinaciones plausibles de tamaños y órbita de planetas parecen hacerse a través de la galaxia. Para los planetólogos, que durante mucho tiempo tuvieron que contentarse con los planetas del Sistema Solar, los mundos extrasolares constituyen un inmenso continente para explorar.

Las faldas calientes son los planetas más conocidos y mejor estudiados, ya que son los más fáciles de observar. Los métodos de detección por tránsito y por medición de la velocidad radial favorecen el descubrimiento de planetas masivos, de gran tamaño y cerca de su estrella.

En el método de tránsito, los astrofísicos buscan una disminución periódica en el brillo de una estrella, que corresponde al paso regular del planeta frente a la estrella. El método de velocidad radial consiste en detectar un ligero desplazamiento de la estrella bajo el efecto de la fuerza gravitacional que une el sol y el planeta. Estos métodos de detección favorecen las faldas calientes y, en menor medida, los súper. Pero los astrofísicos se mantienen como un objetivo más distante para descubrir planetas comparables a la Tierra en tamaño y composición. Todavía no tienen observaciones relevantes de este tipo. Sin embargo, los planetólogos han imaginado las condiciones atmosféricas de estos hipotéticos exoplanetas a partir de modelos teóricos y lecciones aprendidas del Sistema Solar.

Track superterres y exoterres

Es probable que las nubes sean el factor determinante en el color de los exoterros, planetas de tamaño similar a la Tierra. Simplificando, estas estrellas con nubes serán brillantes y bastante blancas, con tonos que dependen de componentes menores que pueden colorear las gotas en las nubes: por lo tanto, el azufre hace que Venus sea amarillento, las moléculas orgánicas tiñen las nubes en rojo, como en Júpiter, por ejemplo. En ausencia de nubes, un exoter sería más oscuro debido a las rocas volcánicas, los océanos o la posible vegetación.

Pero no hay garantía de que los colores de la superficie o los océanos de una tierra sean tan claramente visibles desde el espacio como hacia la Tierra. La atmósfera será aún menos transparente ya que su grosor será significativo. Además, la presencia de aerosoles podría cubrir un exoterre de niebla y darle un tinte amarillo o azul que sería difícil de distinguir de una capa de nubes. Así es como Titán, un satélite de Saturno, aparece como una bola anaranjada debido a la niebla de hidrocarburos que oculta su atmósfera.

Algunos especialistas creen que la transparencia actual de nuestra atmósfera está vinculada a la abundante presencia de oxígeno. Este elemento oxidaría y destruiría aerosoles, limpiando así la atmósfera. Como el oxígeno está asociado con la fotosíntesis y es un componente reciente (en toda la edad del Sistema Solar) de la atmósfera de la Tierra, el planeta puede no haber sido azul en el pasado, sino quizás amarillo, a pesar de la presencia de grandes océanos.

Además, en la Tierra, la presencia de plantas que realizan fotosíntesis influye en el color global del planeta. La abundancia de plantas en los continentes le da a nuestro planeta un toque de verde. El efecto más detectable en el espectro global es la atenuación de la luz roja, absorbida por las moléculas de clorofila.

Algunos investigadores han sugerido detectar la presencia de vida en una posible tierra por el efecto de la vegetación en el espectro de luz. Sin embargo, esta impresión es mínima incluso para la Tierra. Además, no hay garantía de que la fotosíntesis operada por plantas terrestres sea universal. Por ejemplo, la naturaleza de la estrella podría afectar la parte más interesante del espectro para ser explotada por organismos vivos. E, incluso en la Tierra, algunos microorganismos han desarrollado metabolismos que no usan radiación solar.

La presencia de hielo también podría determinar en parte la apariencia de los exoterros. Hoy sabemos que la Tierra misma ha pasado largos períodos en un estado de glaciación global (eras llamada «Bola de nieve Tierra»). Nuestro planeta habría sido mucho más blanco y claro (sin embargo, no es una certeza, porque el hielo y la nieve pueden ensuciarse con polvo volcánico, como la superficie de las lunas heladas de Europa y Ganímedes).

Para estudiar los colores de un exoterre, un enfoque diferente de los que mencionamos sería medir los cambios en el brillo y el color mientras el planeta se enciende. Por lo tanto, podríamos reconstruir aproximadamente el mapa de color del planeta según la longitud.

En 2009, un equipo de astrofísicos estadounidenses utilizó la sonda espacial Epoxi (Observación del planeta extrasolar e investigación extendida de impacto profundo) para medir el color de la Tierra desde un punto muy distante. El planeta aparece como un punto simple en el espacio, y nos encontramos en una situación similar a la observación de exoplanetas. Sin embargo, las mediciones de brillo de Epoxi permiten reconstruir en general la distribución de los océanos y continentes en la Tierra en función de la longitud, así como la evolución de la capa de nubes global.

Este experimento podría aplicarse a los exoterres. Los investigadores medirían la distribución general y longitudinal de los océanos, continentes y la capa de nubes, simplemente a partir de las variaciones de color acumuladas a lo largo del tiempo. En el Sistema Solar, la Tierra es única no solo por su color azul, sino también por las fuertes variaciones de sus colores, entre las diferentes partes del globo y de acuerdo con los rápidos movimientos de las nubes. Todos los demás planetas tienen una cubierta homogénea, como Venus y Neptuno, donde la distribución del color es estable, como en Marte y Júpiter.

Los dos factores de evolución del color (variaciones de longitud y cambios rápidos a lo largo del tiempo) son indicadores interesantes para la búsqueda de vida en la superficie de un planeta. Las variaciones de longitud podrían revelar una alternancia de océanos y continentes, por lo tanto, el signo de una actividad tectónica, que participa en el ciclo del carbono con intercambios entre dióxido de carbono atmosférico y rocas ricas en carbonatos. Algunos investigadores argumentan que dicho ciclo puede participar en el desarrollo de la vida, pero esto sigue siendo muy debatido. Finalmente, la rápida variación en los colores firma la presencia de nubes y el ciclo potencial del agua con la presencia de agua líquida, esencial para la vida tal como la conocemos.

Observe un exoterre ?

Medir los colores de un exoterre con el método de eclipses y tránsitos será muy difícil. Un planeta de este tamaño es mucho más pequeño que una falda caliente (proyecta un disco 100 veces más pequeño), y estos métodos alcanzan su límite. En esta escala de precisión, las estrellas varían constantemente en color e intensidad, debido a la actividad magnética en su superficie burbujeante. Esta señal compleja corre el riesgo de ocultar la contribución de un pequeño planeta.

La otra opción es tratar de observar el planeta directamente. Un exoterre estará más alejado de su sol que una falda caliente, pero el problema sigue siendo cómo distinguirlo… El gusano brillante al lado del faro ? En los últimos años, sin embargo, las técnicas necesarias para este tipo de observación han visto un progreso significativo. Se han observado varios planetas gigantes directamente, pero solo en infrarrojo. Solo se observa la emisión térmica del planeta, y en absoluto la luz reflejada. Por lo tanto, todavía estamos lejos de poder medir el color de un exoterre de esta manera, pero, en teoría, el enfoque es prometedor.

La medición del color del planeta Isis nos permite comprender mejor las faldas calientes, lo que ayuda a representarlas y acercarlas a nosotros. Este resultado es otro paso hacia el objetivo cautivador de explorar las atmósferas de varios tipos de exoplanetas: explorar nuevos mundos, algunos de los cuales pueden ser el hogar de la vida.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *