Ciencia

JWST anuncia un nuevo amanecer para la ciencia de los exoplanetas

Cualquier futuro historiador de la ciencia espacial del siglo XXI bien puede dividir el tema en dos eras: antes del telescopio espacial James Webb (JWST) y después. El telescopio fue construido para transformar nuestra comprensión del cosmos mediante el estudio de las primeras estrellas y galaxias, y en menos de un año de operaciones, ya ha entregado resultados tentadores y potencialmente revolucionarios de sus observaciones del universo primitivo. Sin embargo, el trabajo de JWST está preparado para transformar muchos otros subcampos de la astronomía, ninguno más que el estudio de exoplanetas, mundos que orbitan alrededor de otras estrellas. Los astrónomos ahora saben de más de 5.000 exoplanetas pero no sabemos casi nada acerca de la mayoría de ellos: su composición, condiciones ambientales o incluso perspectivas de vida. JWST está comenzando a cambiar eso, gracias a su capacidad aún sin precedentes para observar directamente estos mundos alienígenas, separando su luz para discernir detalles más finos y, en ocasiones, incluso logrando tomar la imagen de un exoplaneta contra el resplandor abrumador de su estrella de origen.

Dichos resultados siguen estando muy lejos del santo grial astrobiológico de encontrar y estudiar mundos potencialmente similares a la Tierra, pero no obstante son enormemente emocionantes, dado que JWST y sus objetivos científicos centrales se concibieron antes de que se supiera que existían los exoplanetas. “La comunidad de exoplanetas está aturdida en este momento”, dice Mark Clampin, director de la División de Astrofísica en la sede de la NASA en Washington, DC.

El primer año de ciencia de JWST está programado desde julio de 2022 hasta junio de 2023. De ese período, llamado Ciclo 1, aproximadamente una cuarta parte del tiempo del telescopio se dedica a los exoplanetas en alrededor de 75 programas. Una de las aplicaciones más emocionantes de JWST es el estudio de las atmósferas de los exoplanetas. Chapado en oro y tan ancho como un elefante africano adulto, el espejo primario sintonizado por infrarrojos del telescopio le permite sondear las atmósferas de los exoplanetas en un grado nunca antes posible. “Con el Hubble [Space Telescope], llevamos una década detectando agua, que encontramos en abundancia, pero no mucho más”, dice Nikole Lewis de la Universidad de Cornell. “Eso era lo único que podías medir”. JWST también puede ver el agua, así como una gama mucho más amplia de moléculas, incluidos el dióxido de carbono, el sodio y más. Algunos de los compuestos que JWST puede detectar, como el metano, están estrechamente asociados con procesos metabólicos en la biosfera de la Tierra, lo que los convierte en posibles firmas biológicas que podrían ayudar a revelar la presencia de vida en otros mundos potencialmente habitables más allá del sistema solar.

En agosto, los astrónomos revelaron que habían utilizado JWST para detectar dióxido de carbono en un exoplaneta por primera vez al observar signos del gas a la luz de la estrella anfitriona de un planeta gigante gaseoso que se filtra a través de la atmósfera del mundo. Conocida como espectroscopia de transmisión, esta técnica es increíblemente útil no solo para estudiar planetas gigantes, sino también para investigar los más pequeños que podrían parecerse más al séquito de mundos rocosos de nuestro sistema solar. “Necesitábamos comenzar con ‘Está bien, ¿tienen aire?’”, dice Lewis. “Una vez que entendamos eso, podemos desarrollar una mejor estrategia para buscar gases de firma biológica”.

En la reunión 241 de la Sociedad Astronómica Estadounidense (AAS) en Seattle a principios de este mes, los astrónomos anunciaron otro resultado de espectroscopia de transmisión de JWST. Esta vez, el telescopio estudió un mundo del tamaño de la Tierra llamado LHS 475 b, que orbita una estrella enana roja a 41 años luz de la Tierra. En este caso, JWST en realidad confirmó la existencia del planeta, que previamente había sido insinuado por el Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA. “Confirmamos que era un planeta al observarlo con JWST”, dice Sarah Moran de la Universidad de Arizona, colaboradora del resultado.

JWST observó dos órbitas del planeta alrededor de su estrella, pero se necesitará una observación adicional prevista para mayo para analizar mejor el contenido de la atmósfera del planeta. Sin embargo, hasta ahora, el equipo “puede decir muchas cosas sobre cómo no es la atmósfera”, dice Moran. “Sabemos que no está dominado por el hidrógeno como Júpiter o Saturno. Creemos que probablemente no tenga una atmósfera similar a la de la Tierra. Pero podría tener una atmósfera de dióxido de carbono como Venus o Marte, o podría no tener atmósfera como Mercurio”. Esos resultados podrían ayudar a informar el estudio de otros planetas rocosos alrededor de enanas rojas, que representan unas tres cuartas partes de todas las estrellas de la Vía Láctea. “Estamos en las primeras etapas de tratar de medir las atmósferas de los planetas rocosos y tratar de averiguar si un planeta puede ser habitable”, dice Moran.

En términos de estudio de planetas rocosos, JWST se limita en gran medida a mundos que orbitan enanas rojas, que son lo suficientemente tenues como para evitar sobrecargar la óptica exquisitamente sensible del telescopio. Se sabe que estas estrellas son propensas a llamaradas intensas que podrían destruir las atmósferas de mundos como LHS 475 b, que orbitan peligrosamente cerca de sus estrellas anfitrionas en comparación con las separaciones mucho más amplias entre estrellas y planetas entre los mundos rocosos de nuestro sistema solar. “Existe la posibilidad de que sus estrellas hayan destruido absolutamente todas sus atmósferas”, dice Lewis. Un importante objetivo de interés de la enana roja, el sistema TRAPPIST-1, a casi 40 años luz de la Tierra, contiene siete mundos del tamaño de la Tierra. Varios de estos se encuentran en la zona habitable de la estrella, la región alrededor de la estrella en la que suficiente luz estelar para calentar el planeta podría permitir que exista agua líquida. Las primeras observaciones de TRAPPIST-1 todavía están en marcha, incluidas las que buscan atmósferas. Esos resultados podrían contribuir en gran medida a revelar si los mundos de las enanas rojas pueden ser realmente habitables. “Ojalá lo sepamos al final del ciclo 1”, dice Lewis.

JWST también cuenta con un complemento emocionante llamado coronógrafo, un dispositivo para bloquear la mayor parte de la luz de las estrellas para que se puedan ver los planetas más débiles que las acompañan (esto fue crucial para la primera imagen de exoplaneta de JWST, que los investigadores dieron a conocer en septiembre pasado). El poder de supresión de la luz de las estrellas del coronógrafo del telescopio es insuficiente para revelar mundos pequeños y potencialmente habitables, pero un trabajo reciente ha demostrado que el coronógrafo debería permitirle al JWST ver mundos del tamaño de Júpiter o Saturno que orbitan estrellas enanas rojas en o más allá. cinco veces la distancia entre la Tierra y el Sol (cinco unidades astronómicas, o AU). Esa es aproximadamente la posición de Júpiter en nuestro propio sistema solar.

Este análisis proviene de Kellen Lawson del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y sus colegas, quienes en la reciente reunión de AAS debutaron impresionantes vistas infrarrojas de un disco de escombros en expansión rodeando una estrella joven a unos 32 años luz de la Tierra. “En el pasado, las imágenes directas se limitaban a unas 10 masas de Júpiter”, dice Lawson. “Aquí somos sensibles a un [single] Masa de Júpiter. Eso permitirá a JWST buscar análogos aproximados de Júpiter alrededor de otras estrellas de una manera que antes no era posible. “Nuestra esperanza es que, con JWST, podamos limitar la presencia de planetas en este régimen”, dice Lawson. Tales planetas fotografiados directamente se pueden identificar directamente en sus órbitas alrededor de sus estrellas, lo que brinda una excelente oportunidad «para realizar un seguimiento y obtener una tonelada de datos realmente increíbles».

Los astrónomos también están entusiasmados con las capacidades exoplanetarias de otro telescopio, el observatorio Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Lanzado al espacio en 2013 principalmente para mapear los movimientos y posiciones de miles de millones de estrellas en nuestra galaxia, también se espera que el telescopio encuentre miles de exoplanetas. En la reunión de la AAS, Sasha Hinkley de la Universidad de Exeter en Inglaterra, quien dirige uno de los primeros programas de imágenes de exoplanetas de JWST, anunció que, usando Gaia y el Very Large Telescope (VLT) en Chile, su equipo había visto un planeta inusual a unos 130 años luz de la Tierra que parecía estar experimentando una fusión nuclear. “Está quemando deuterio”, dice, refiriéndose a un isótopo de hidrógeno que logra la fusión nuclear que alimenta la luz de las estrellas a temperaturas más bajas que el hidrógeno normal. Estudios adicionales del sistema, dice Hinkley, podrían ayudar a los astrónomos a dibujar líneas menos borrosas entre estrellas, planetas y enanas marrones, siendo estas últimas una clase vagamente definida de objetos que caen entre planetas y estrellas en masa. El planeta de 130 años luz de distancia, detectado gracias a que Gaia presenció un bamboleo en el movimiento de su estrella anfitriona causado por la atracción gravitatoria del mundo invisible, podría ser uno de los muchos exoplanetas próximos encontrados por el telescopio, algunos de los cuales también podrían ser objetivos interesantes. para JWST.

Sin embargo, la búsqueda de mundos similares a la Tierra parece definir el legado de exoplanetas de JWST a pesar de estar en gran medida fuera del alcance del telescopio. “Ahí es a donde se dirige todo este trabajo”, dice Hinkley, “y es por eso que la mayoría de las personas están en este juego”. En 2026 se lanzará una nueva misión de la ESA llamada PLATO, cuyo objetivo principal será encontrar esos mundos. PLATO observará vastas franjas del cielo para, por primera vez, buscar en serio mundos similares a la Tierra alrededor de estrellas similares al Sol dentro de unos 1.000 años luz del sistema solar. Se espera encontrar algunas decenas de esos planetas durante la misión principal de cuatro años del telescopio, dice Ana Heras de la ESA, científica del proyecto de la misión. “Realmente no sabemos cuál es la tasa de ocurrencia [for Earth-like planets],» ella dice. PLATO de alguna manera nos dirá cuántos, si es que hay alguno, hay en nuestro rincón de la galaxia.

JWST no podrá estudiar de cerca esos mundos. Tampoco será capaz de hacerlo su sucesor, el telescopio espacial romano Nancy Grace, cuyo lanzamiento está previsto para 2027. Pero Roman desempeñará un papel crucial junto con sus otros objetivos científicos: probar la tecnología avanzada de coronógrafo que se necesitará para producir imágenes de mundos similares a la Tierra potencialmente habitables alrededor de estrellas como nuestro sol. Esa tecnología está destinada a ser empleada en JWST y el sucesor de Roman, el recientemente denominado Observatorio de Mundos Habitables, que se lanzará no antes de finales de la década de 2030 en una misión para producir las primeras imágenes de Tierras potencialmente habitables. Ese telescopio debe ser «unas 100 veces más estable» en el espacio que el JWST para lograr ese objetivo, dice Bruce Macintosh, director de los Observatorios de la Universidad de California. “Ese no es un desafío insignificante”.

El camino a esta eventualidad es largo. “Estamos al comienzo de un viaje aquí”, dice Clampin. Pero incluso dejando de lado cualquier conversación sobre santos griales, los primeros resultados transformadores de exoplanetas de JWST siguen siendo emocionantes para los científicos. Sin embargo, lo mejor aún está por llegar. “La gente necesita ser paciente”, dice Lewis. “El primer ciclo se trata de recoger la fruta madura. Vamos a empezar a volvernos locos en los próximos ciclos”.

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