Webb expone la compleja atmósfera de un superjúpiter sin estrellas

Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que las variaciones observadas anteriormente en el brillo de un objeto de masa planetaria que flota libremente conocido como SIMP 0136 deben ser el resultado de una combinación compleja de factores atmosféricos y no pueden explicarse solo por las nubes.

Usando el telescopio espacial James Webb de la NASA para monitorear un amplio espectro de luz infrarroja emitida durante dos períodos de rotación completos por SIMP 0136, el equipo pudo detectar variaciones en las capas de nubes, la temperatura y la química del carbono que anteriormente estaban ocultas a la vista.

Los resultados aportan información crucial sobre la complejidad tridimensional de las atmósferas de los gigantes gaseosos dentro y fuera de nuestro sistema solar. La caracterización detallada de objetos como estos es una preparación esencial para la obtención de imágenes directas de exoplanetas, planetas fuera de nuestro sistema solar, con el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que está previsto que empiece a funcionar en 2027.

Rotación rápida y libre flotación

SIMP 0136 es un objeto que rota rápidamente y flota libremente y que tiene aproximadamente 13 veces la masa de Júpiter, ubicado en la Vía Láctea a solo 20 años luz de la Tierra. Aunque no está clasificado como un exoplaneta gigante gaseoso (no orbita una estrella y, en cambio, podría ser una enana marrón), SIMP 0136 es un objetivo ideal para la exometeorología: es el objeto más brillante de su tipo en el cielo del norte. Debido a que está aislado, se lo puede observar sin temor a la contaminación lumínica o la variabilidad causada por una estrella anfitriona. Y su corto período de rotación de solo 2,4 horas permite estudiarlo de manera muy eficiente.

Antes de las observaciones del Webb, SIMP 0136 había sido estudiado extensamente utilizando observatorios terrestres y los telescopios espaciales Hubble y Spitzer de la NASA.

“Ya sabíamos que varía en brillo y estábamos seguros de que hay capas de nubes irregulares que aparecen y desaparecen de la vista y evolucionan con el tiempo”, explicó Allison McCarthy, estudiante de doctorado en la Universidad de Boston y autora principal de un estudio publicado hoy en The Astrophysical Journal Letters. “También pensábamos que podría haber variaciones de temperatura, reacciones químicas y posiblemente algunos efectos de la actividad auroral que afectaran el brillo, pero no estábamos seguros”.

Para averiguarlo, el equipo necesitaba la capacidad del Webb para medir cambios muy precisos en el brillo en un amplio rango de longitudes de onda.

Gráficos de miles de arcoíris infrarrojos

Usando el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano), el Webb capturó miles de espectros individuales de 0,6 a 5,3 micrones, uno cada 1,8 segundos, durante más de tres horas, mientras el objeto completaba una rotación completa. A esto le siguió inmediatamente una observación con el MIRI (instrumento de infrarrojo medio), que recopiló cientos de mediciones espectroscópicas de luz de 5 a 14 micrones, una cada 19,2 segundos, durante otra rotación.

El resultado fueron cientos de curvas de luz detalladas, cada una mostrando el cambio en el brillo de una longitud de onda (color) muy precisa a medida que diferentes lados del objeto giraban a la vista.

“Ver cómo cambiaba el espectro completo de este objeto en el transcurso de minutos fue increíble”, dijo la investigadora principal Johanna Vos, del Trinity College de Dublín. “Hasta ahora, solo teníamos una pequeña porción del espectro de infrarrojo cercano del Hubble y algunas mediciones de brillo del Spitzer”.

El equipo se dio cuenta casi inmediatamente de que había varias formas distintas de curvas de luz. En un momento dado, algunas longitudes de onda se volvían más brillantes, mientras que otras se volvían más tenues o no cambiaban mucho en absoluto. Una serie de factores diferentes deben estar afectando las variaciones de brillo.

“Imagínese observar la Tierra desde lejos. Si mirara cada color por separado, vería diferentes patrones que le dirían algo sobre su superficie y atmósfera, incluso si no pudiera distinguir las características individuales”, explicó el coautor Philip Muirhead, también de la Universidad de Boston. “El azul aumentaría a medida que los océanos giraran para aparecer a la vista. Los cambios en marrón y verde le dirían algo sobre el suelo y la vegetación”.

Nubes irregulares, puntos calientes y química del carbono

Para averiguar qué podría estar causando la variabilidad en SIMP 0136, el equipo utilizó modelos atmosféricos para mostrar en qué parte de la atmósfera se originaba cada longitud de onda de luz.

“Las diferentes longitudes de onda proporcionan información sobre las diferentes profundidades de la atmósfera”, explicó McCarthy. “Comenzamos a darnos cuenta de que las longitudes de onda que tenían las formas de curva de luz más similares también sondeaban las mismas profundidades, lo que reforzó esta idea de que debían ser causadas por el mismo mecanismo”.

Un grupo de longitudes de onda, por ejemplo, se origina en las profundidades de la atmósfera, donde podría haber nubes irregulares hechas de partículas de hierro. Un segundo grupo proviene de nubes más altas que se cree que están hechas de pequeños granos de minerales de silicato. Las variaciones en ambas curvas de luz están relacionadas con la irregularidad de las capas de nubes.

Un tercer grupo de longitudes de onda se origina a gran altitud, muy por encima de las nubes, y parece seguir la temperatura. Los “puntos calientes” brillantes podrían estar relacionados con auroras que se habían detectado previamente en longitudes de onda de radio, o con el ascenso de gas caliente desde las capas más profundas de la atmósfera.

Algunas de las curvas de luz no pueden explicarse ni por las nubes ni por la temperatura, sino que muestran variaciones relacionadas con la química del carbono atmosférico. Podría haber bolsas de monóxido de carbono y dióxido de carbono que aparecen y desaparecen de la vista, o reacciones químicas que hacen que la atmósfera cambie con el tiempo.

“Todavía no hemos descifrado la parte química del rompecabezas”, dijo Vos. “Pero estos resultados son realmente emocionantes porque nos muestran que las abundancias de moléculas como el metano y el dióxido de carbono podrían cambiar de un lugar a otro y con el tiempo. Si estamos observando un exoplaneta y solo podemos obtener una medición, debemos considerar que podría no ser representativa de todo el planeta”.