El telescopio espacial James Webb (JWST) juega un papel clave al permitir medir la emisión térmica de estos planetas templados. Una primera campaña de observación a λ=15 µm había revelado una temperatura de 503 K en el lado diurno del planeta TRAPPIST-1 b, sugiriendo la ausencia de atmósfera y una superficie muy oscura.
Sin embargo, basándose en las observaciones de una segunda campaña a λ=12,8 µm, este nuevo estudio realizado por el Departamento de Astrofísica del IRFU del CEA Paris-Saclay ha medido una temperatura mucho más baja de la esperada según el escenario anterior, lo que obliga a los investigadores a explorar nuevas pistas.
Figura 1 - Ilustración artística de TRAPPIST-1 b poco antes de que pase detrás de la estrella enana roja y fría TRAPPIST-1.
Estas estrellas son conocidas por su actividad, con grandes manchas estelares y erupciones que pueden contaminar las mediciones.
Crédito: Thomas Müller (HdA/MPIA)
Entre las hipótesis consideradas, una atmósfera rica en CO₂ y brumas es una posibilidad, aunque un escenario de superficie ultramáfica volcánica parece más probable. Para resolver este misterio, se ha iniciado una nueva fase de observaciones, con el objetivo de seguir el flujo luminoso del planeta a lo largo de su órbita.
Este resultado ha sido publicado en la prestigiosa revista Nature Astronomy: "Combined analysis of the 12.8 and 15 μm JWST/MIRI eclipse observations of TRAPPIST-1 b"
TRAPPIST-1: un laboratorio ideal para estudiar las atmósferas de los planetas rocosos
El sistema TRAPPIST-1 se distingue por su estrella enana ultrafría rodeada de siete planetas rocosos de tamaño terrestre, tres de los cuales se encuentran en la zona habitable, ofreciendo así una oportunidad científica excepcional para el estudio de los exoplanetas y sus atmósferas. Este sistema constituye, por tanto, un objetivo privilegiado para el telescopio espacial James Webb (JWST), cuyas capacidades espectroscópicas infrarrojas permiten estudiar en detalle este tipo de planetas.
En particular, el JWST es capaz de medir directamente el calor emitido por un planeta, comparando el flujo luminoso de la estrella durante una ocultación -momento en que el planeta pasa detrás de la estrella- con el flujo observado justo antes y después de este evento (cf. Figura 2). Este método permite deducir la luz infrarroja emitida por la cara iluminada (lado diurno) del planeta, evitando las contaminaciones estelares que pueden complicar las mediciones en otras configuraciones, como los tránsitos.
Figura 2 - Al comparar el flujo luminoso de la estrella sola cuando el planeta está oculto (detrás de la estrella) con el flujo observado justo antes o después de la ocultación, es posible deducir la emisión térmica del lado diurno del planeta, evitando las contaminaciones estelares presentes en otras configuraciones (por ejemplo, los tránsitos).
Crédito: Ducrot et al. 2024
"La emisión térmica se ha convertido rápidamente en el método preferido para estudiar los exoplanetas rocosos alrededor de estrellas enanas M durante los dos primeros años del JWST", explica Pierre-Olivier Lagage, coautor principal del estudio y director del Departamento de Astrofísica del CEA. "En cuanto a los planetas de TRAPPIST-1, las primeras informaciones provienen de las mediciones de emisión, ya que sigue siendo difícil distinguir las señales atmosféricas y estelares en tránsito."
Se han llevado a cabo dos campañas de observación con el JWST para estudiar el planeta TRAPPIST-1 b, ya que, al ser el más cercano a la estrella anfitriona, emite más infrarrojo que los otros planetas del sistema. Estas observaciones se realizaron con el instrumento MIRIm, desarrollado en el CEA Paris-Saclay, utilizando filtros cuidadosamente seleccionados para detectar la presencia de dióxido de carbono (CO₂) y medir su contenido.
La primera campaña, realizada en 2023 por un equipo de la NASA en colaboración con el Departamento de Astrofísica del IRFU en el CEA Paris-Saclay, utilizó un filtro centrado en λ=15 µm. Estas observaciones permitieron determinar que el lado diurno de TRAPPIST-1 b presenta una temperatura de aproximadamente 503 K (+/- 26 K), marcando así la primera medición directa de la temperatura de un planeta rocoso templado en la historia del estudio de los exoplanetas.
Con una temperatura tan alta, los científicos sugirieron que TRAPPIST-1 b tendría más bien una "superficie desnuda y oscura", donde el planeta no tendría atmósfera y su superficie absorbería casi toda la luz estelar incidente (Greene et al., 2023). Esta hipótesis se basa en el hecho de que el CO₂ absorbe fuertemente a esta longitud de onda; una atmósfera rica en CO₂ habría reducido considerablemente el flujo observado. Sin embargo, una única medición a una longitud de onda no es suficiente para excluir todos los escenarios atmosféricos posibles.
Figura 3 - Comparación de los diferentes escenarios de superficie desnuda y atmosféricos para el planeta TRAPPIST-1 b, con el caso de la Tierra. La emisión térmica medida a 12,8 (rojo oscuro) y 15 micrones (rojo claro) permite discriminar estos escenarios.
El primer esquema (extremo izquierdo) ilustra el escenario de "superficie desnuda y oscura", sugerido en el primer estudio con la medición a 15 micrones únicamente. Este nuevo estudio cuestiona este escenario y propone dos nuevas hipótesis: el escenario "superficie desnuda ultramáfica" y el escenario "atmósfera rica en brumas de CO₂".
Crédito: Ducrot et al. 2024
¿Superficie desnuda o atmósfera compleja?
Este nuevo estudio, realizado por un equipo del CEA Paris-Saclay, complementa las observaciones anteriores midiendo esta vez el flujo de TRAPPIST-1 b a 12,8 micrones, una segunda banda de absorción característica del CO₂. Mientras que el escenario inicial de "superficie oscura desnuda" propuesto por Greene et al. (2023) preveía una temperatura de aproximadamente 227 °C a esta longitud de onda, los investigadores midieron una temperatura significativamente más baja, de 150 °C. Este resultado invalida el escenario anterior, basado en las observaciones a 15 micrones, obligando a los investigadores a explorar otros modelos de superficie y atmósfera. Dos nuevos escenarios parecen destacarse (cf. figura 3):
- Escenario "superficie desnuda ultramáfica": TRAPPIST-1 b carecería de atmósfera, pero su superficie estaría compuesta de rocas ultramáficas, rocas volcánicas ricas en minerales que emiten menos luz a 12,8 micrones que una superficie oscura clásica. Este resultado sugiere la posible existencia de vulcanismo, ya que sin este proceso que crea nuevas rocas, las rocas se alterarían y ennegrecerían rápidamente por la actividad de la estrella.
- Escenario "atmósfera rica en brumas de CO₂": TRAPPIST-1 b tendría una atmósfera rica en CO₂ con espesas brumas, formadas por pequeñas partículas o gotitas resultantes de reacciones químicas relacionadas con la actividad volcánica o la radiación solar. Estas brumas absorberían la luz estelar y provocarían un calentamiento de las capas superiores de la atmósfera, creando una inversión térmica donde la temperatura aumenta con la altitud. Este fenómeno, similar al de la estratosfera terrestre -aunque relacionado aquí con el CO₂ y no con el ozono- explicaría una emisión más alta a 15 micrones en comparación con 12,8 micrones, un comportamiento inesperado en comparación con el CO₂ observado en la Tierra o Venus.
Aunque las brumas ya son conocidas por influir en la temperatura y la apariencia atmosférica, como en Titán, su impacto en TRAPPIST-1 b sigue siendo sorprendente. Sin embargo, los autores consideran que el escenario "superficie desnuda ultramáfica" es más probable, debido a la complejidad y las incertidumbres asociadas con la formación de tales brumas.
"Nos sorprendió medir una temperatura significativamente más baja de lo esperado. Pensábamos que el caso de TRAPPIST-1 b estaba cerrado, pero esta nueva longitud de onda nos recuerda todas las ambigüedades que existen para describir un planeta a partir de observaciones discretas." señala Elsa Ducrot, investigadora del Departamento de Astrofísica del CEA y autora principal de este estudio. "Además, esta medición ha estimulado nuestra curiosidad y nos ha permitido proponer un escenario atmosférico con brumas inéditas en acuerdo con los datos. Aunque parece menos probable, es muy interesante que la comunidad científica pueda tenerlo en cuenta en la interpretación de futuras observaciones de exoplanetas rocosos."
¿Cómo resolver el misterio?
Este nuevo estudio destaca los desafíos planteados por la determinación definitiva de la presencia de una atmósfera en un planeta basándose únicamente en las mediciones de emisión térmica durante las ocultaciones. Para resolver definitivamente el misterio de la presencia de una atmósfera en TRAPPIST-1 b, los investigadores han iniciado una nueva campaña de observación con el JWST, con el objetivo de medir el flujo del planeta a lo largo de su órbita completa, y no solo su lado diurno (cf. figura 4).
Figura 4 - Ilustración de la curva de fase: evolución del flujo luminoso del sistema estrella-planeta durante una órbita completa.
- La posición (a) corresponde al tránsito: El planeta pasa frente a la estrella. El flujo medido corresponde a la luz de la estrella disminuida por la absorción debida al disco planetario y su posible atmósfera. Esta configuración permite sondear la emisión del lado nocturno del planeta.
- La posición (c) corresponde a la ocultación (o eclipse secundario): El planeta está oculto detrás de la estrella. El telescopio capta entonces solo el flujo luminoso de la estrella, lo que permite aislar y restar su contribución.
- Finalmente, la posición (b) es justo antes y después de la ocultación. La intensidad medida es máxima: el flujo luminoso del planeta se suma al de la estrella.
Complementada luego con simulaciones atmosféricas 3D complejas, este método, aunque costoso en tiempo de observación, es esencial para determinar la existencia o ausencia de una atmósfera alrededor de TRAPPIST-1 b.
"Si hay una atmósfera, el calor se redistribuirá del lado diurno al lado nocturno del planeta. Sin atmósfera, esta redistribución será mínima", explica Michaël Gillon de la Universidad de Lieja, coautor de este estudio.
Estas respuestas podrían inaugurar una nueva era en el estudio de las atmósferas de los exoplanetas rocosos.