¿Por qué queremos detectar elementos químicos en las atmósferas de exoplanetas?

Por Daniela Iglesias y Catalina Zamora, estudiantes de postgrado de la Universidad de Valparaíso y del Núcleo Milenio de Formación Planetaria.

El helio es el segundo elemento químico más abundante en el Universo y también es uno de los principales componentes de las atmósferas de los planetas gigantes del Sistema Solar, tales como Júpiter y Saturno. Sin embargo, nunca se había podido detectar en la atmósfera de un exoplaneta. Se había detectado otros elementos y moléculas en las atmósferas de algunos, como agua, monóxido de carbono, metano, óxido de titanio, sodio, potasio, entre otros, pero no helio. Hasta ahora.

El pasado 3 de mayo se publicó en la revista Nature un interesante hallazgo: La detección de helio en la atmósfera del exoplaneta WASP-107b, un gigante gaseoso de 0.94 veces la masa de Júpiter que orbita su estrella cada 5.7 días. Es la primera vez que se detecta dicho elemento químico en la atmósfera de un planeta que no pertenece al Sistema Solar, abriendo la puerta al estudio de atmósferas de exoplanetas en longitudes de onda infrarrojas desde la Tierra. Este estudio fue realizado por astrónomos de Reino Unido y Estados Unidos, siendo liderado por Jessica Spake, de la Universidad de Exeter.

Utilizando el Telescopio Espacial Hubble, la investigadora principal y sus colaboradores pudieron extraer el espectro de WASP-107b a través de una técnica conocida como espectroscopía de transmisión. La espectroscopía de transmisión tiene como finalidad obtener la composición química de la atmósfera de un exoplaneta, es decir, su espectro. Consiste en capturar espectros de la estrella que hospeda el planeta en tres momentos distintos:

  1. Antes que el planeta pase (transite) entre su estrella y nosotros
  2. En el momento en que el planeta está transitando su estrella
  3. Después de que el planeta ya ha transitado su estrella

De esta manera, en los momentos inicial (1) y final (3) (ver imagen) se obtiene solo el espectro de la estrella, mientras que en el segundo momento se consigue el espectro de la estrella junto con el del planeta. Esta técnica es válida solo cuando hay un tránsito, es decir, cuando el planeta pasa por frente de su estrella, de manera que desde la Tierra lo vemos eclipsar a la estrella.

Cada elemento químico presente en la atmósfera de una estrella produce líneas de absorción a longitudes de onda determinadas, como se muestra en la imagen más abajo. Esto quiere decir que cuando observamos el espectro de una estrella, podemos ver la luz que emite y además saber de qué elementos está compuesta. Por ejemplo, en este caso, el helio presente en la atmósfera del planeta fue detectado en la línea de absorción a 10.833 angstroms (longitud de onda infrarroja) del espectro tomado durante su tránsito frente a la estrella.

©Alano Toste

Durante el tránsito del planeta, la luz total que recibimos de la estrella disminuye, como vemos en la primera figura. Pero, además, los elementos presentes en la atmósfera del planeta producirán un exceso de absorción en el espectro de la estrella. Eso se produce porque al tener un elemento particular en la atmósfera, el planeta parece “más grande” en ese elemento y bloquea una mayor cantidad de luz de la estrella produciendo mayor absorción.

En el caso de WASP-107b, el exceso de absorción fue tan significativo que los investigadores estiman que la atmósfera del planeta es muy extensa. WASP-107b se encuentra 1000 veces más cerca de su estrella que nosotros del Sol, por lo que la radiación de la estrella causa un fuerte impacto en la atmósfera del planeta. Acorde a las investigaciones, se cree que el planeta podría tener una “cola” de gas, similar a la que tienen los cometas, provocada por la radiación estelar.

El interés principal de estudiar la atmósfera de los exoplanetas es conocer su composición y estimar si sería posible que el planeta albergue vida. Sin embargo, aunque la mayoría de los seres que habitamos la Tierra necesitamos oxígeno y agua para vivir, existen organismos anaeróbicos que no requieren de oxígeno en su metabolismo. La vegetación, además de necesitar agua para vivir, necesita de dióxido de carbono para realizar fotosíntesis. Es decir, aunque creemos que el agua es esencial basándonos en la vida que conocemos en la Tierra, no podemos estar seguros de qué otros elementos puedan ser necesarios para formas de vida que no conocemos y que probablemente sean muy distintas a lo que esperamos.

La imagen que ilustra la nota corresponde al exoplaneta Kepler-22b. Crédito: NASA/Ames/JPL-Caltech

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