Webb revela el lejano origen de un mundo casi pegado a su estrella

Metano y silicio atmosféricos detectados en un exoplaneta ardiente casi pegado a su estrella sugiere que se originó en una región análoga al dominio de gigantes de gas y hielo del Sistema Solar.

Observaciones con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) han proporcionado nuevas pistas sobre cómo se formó el exoplaneta WASP-121b y dónde podría haberse originado en el disco de gas y polvo que rodea a su estrella. Estos descubrimientos se derivan de la detección de múltiples moléculas clave: vapor de agua, monóxido de carbono, monóxido de silicio y metano.

Gracias a estas detecciones, un equipo dirigido por los astrónomos Thomas Evans-Soma y Cyril Gapp logró del Instituto Max Planck compilar un inventario del carbono, el oxígeno y el silicio en la atmósfera de WASP-121b. La detección de metano, en particular, también sugiere fuertes vientos verticales en la cara nocturna, más fría, un proceso que a menudo se ignora en los modelos actuales.

WASP-121b es un planeta gigante ultracaliente que orbita su estrella anfitriona a una distancia de tan solo el doble del diámetro de esta, completando una órbita en aproximadamente 30,5 horas. El planeta presenta dos hemisferios distintos: uno que siempre está orientado hacia la estrella anfitriona, con temperaturas que localmente superan los 3.000 grados Celsius, y un hemisferio nocturno eterno donde las temperaturas descienden hasta los 1.500 grados.

"Las temperaturas del hemisferio diurno son lo suficientemente altas como para que los materiales refractarios (compuestos sólidos resistentes al calor intenso) existan como componentes gaseosos de la atmósfera del planeta", explicó en un comunicado Thomas Evans-Soma, astrónomo afiliado al Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, y a la Universidad de Newcastle, Australia. Lideró el estudio publicado hoy en Nature Astronomy.

El equipo investigó la abundancia de compuestos que se evaporan a temperaturas muy diferentes, lo que proporcionó pistas sobre la formación y evolución del planeta. "Los materiales gaseosos son más fáciles de identificar que los líquidos y sólidos", señaló Cyril Gapp, estudiante del MPIA y autor principal de un segundo estudio publicado hoy en The Astronomical Journal. Dado que muchos compuestos químicos se encuentran en forma gaseosa, los astrónomos utilizan WASP-121b como laboratorio natural para estudiar las propiedades de las atmósferas planetarias.

El equipo concluyó que WASP-121b probablemente acumuló la mayor parte de su gas en una región lo suficientemente fría como para que el agua permaneciera congelada, pero lo suficientemente cálida como para que el metano (CH4) se evaporara y existiera en forma gaseosa. Dado que los planetas se forman dentro de un disco de gas y polvo que rodea a una estrella joven, estas condiciones se dan a distancias donde la radiación estelar crea las temperaturas adecuadas.

UN LAEGO VIAJE

En nuestro Sistema Solar, esta región se encuentra en algún punto entre las órbitas de Júpiter y Urano. Esto es notable, dado que WASP-121b orbita ahora peligrosamente cerca de la superficie de su estrella anfitriona. Esto sugiere que, tras su formación, emprendió un largo viaje desde las regiones heladas exteriores hasta el centro del sistema planetario.

El silicio se detectó como gas de monóxido de silicio (SiO), pero entró originalmente en el planeta a través de material rocoso, como el cuarzo, almacenado en planetesimales (esencialmente asteroides), tras adquirir la mayor parte de su envoltura gaseosa. La formación de planetesimales lleva tiempo, lo que indica que este proceso ocurrió durante las últimas etapas del desarrollo planetario.

La formación de planetas comienza con partículas de polvo helado que se adhieren y crecen gradualmente hasta convertirse en guijarros de entre centímetros y metros de tamaño. Atraen el gas circundante y las pequeñas partículas, acelerando su crecimiento. Estos son los gérmenes de futuros planetas como WASP-121b. La fricción del gas circundante hace que los guijarros en movimiento se desplacen en espiral hacia la estrella. A medida que migran, el hielo incrustado comienza a evaporarse en las regiones interiores más cálidas del disco.

Mientras los planetas jóvenes orbitan sus estrellas anfitrionas, pueden alcanzar un tamaño suficiente como para abrir importantes brechas en el disco protoplanetario. Esto detiene la deriva de guijarros hacia el interior y el aporte de hielo incrustado, pero deja suficiente gas disponible para construir una atmósfera extendida.

En el caso de WASP-121b, esto parece haber ocurrido en un lugar donde los guijarros de metano se evaporaron, enriqueciendo el gas que el planeta suministraba con carbono. En cambio, los guijarros de agua permanecieron congelados, reteniendo el oxígeno. Este escenario explica mejor por qué Evans-Soma y Gapp observaron una mayor proporción de carbono a oxígeno en la atmósfera del planeta que en su estrella anfitriona. WASP-121b continuó atrayendo gas rico en carbono después de que cesara el flujo de guijarros ricos en oxígeno, lo que determinó la composición final de su envoltura atmosférica.

A medida que cambia la temperatura de una atmósfera, se espera que varíen las cantidades de diferentes moléculas, como el metano y el monóxido de carbono. A las temperaturas ultraaltas del lado diurno de WASP-121b, el metano es altamente inestable y no estará presente en cantidades detectables. Los astrónomos han determinado que, para planetas como WASP-121b, el gas del hemisferio diurno debería mezclarse con el hemisferio nocturno, relativamente frío, más rápido de lo que la composición del gas puede adaptarse a las temperaturas más bajas. En este escenario, cabría esperar que la abundancia de metano fuera insignificante en el hemisferio nocturno, al igual que en el diurno.