Izquierda: Esta es una foto de la estrella HR 8799 tomada por una cámara de infrarrojo cercano Hubble y un espectrómetro de objetos múltiples (NICMOS) en 1998. La máscara de la cámara (coronógrafo) bloquea la mayor parte de la luz de la estrella. Los astrónomos también han utilizado software para restar digitalmente más luz estelar. Sin embargo, la luz dispersa de HR 8799 domina la imagen, oscureciendo los cuatro planetas débiles descubiertos más tarde por observaciones terrestres. Derecha: El nuevo análisis de los datos de NICMOS en 2011 reveló tres exoplanetas que no son visibles en las imágenes de 1998. Webb estudiará las atmósferas de los planetas utilizando ondas infrarrojas que los astrónomos rara vez utilizan para tomar fotografías de mundos distantes. Créditos de imagen: NASA, ESA y R. Soummer (STScI)
Antes de que los planetas alrededor de otras estrellas fueran descubiertos por primera vez en la década de 1990, estos mundos exóticos distantes existían solo en la imaginación de los escritores de ciencia ficción.
Pero incluso sus mentes creativas no serían capaces de imaginar la variedad de mundos que han descubierto los astrónomos. Muchos de estos mundos, llamados exoplanetas, son muy diferentes de la familia de planetas de nuestro sistema solar. Estos van desde las estrellas circundantes hasta los “Júpiter calientes” y los enormes planetas rocosos conocidos como “super-Tierras”. Nuestro universo es claramente más extraño que la ficción.
Ver estos mundos distantes no es fácil porque están perdidos en el resplandor de sus estrellas madres. Tratar de detectarlos es como hacer un esfuerzo por ver una luciérnaga flotando junto a la magnífica luz de un faro.
Por lo tanto, los astrónomos han identificado la mayoría de los más de 4.000 exoplanetas encontrados hasta ahora utilizando técnicas indirectas, como un ligero bamboleo de una estrella o su atenuación inesperada cuando el planeta pasa frente a ella, bloqueando parte de la luz de la estrella.
Sin embargo, estas técnicas funcionan mejor para los planetas que orbitan cerca de sus estrellas, donde los astrónomos pueden detectar cambios durante las semanas o incluso los días a medida que el planeta completa su órbita a lo largo de una pista de carreras. Sin embargo, encontrar solo planetas con deslizamiento estelar no les da a los astrónomos una imagen completa de todos los mundos posibles en los sistemas estelares.
Este diagrama muestra las posiciones de cuatro exoplanetas que orbitan lejos de la estrella cercana HR 8799. Las órbitas parecen alargadas debido a la ligera inclinación del plano orbital en relación con nuestra línea de visión. El tamaño del sistema planetario HR 8799 es comparable a nuestro sistema solar, como lo indica la órbita de Neptuno, mostrada a escala. Créditos de imagen: NASA, ESA y R. Soummer (STScI)
Otra técnica que usan los científicos para encontrar exoplanetas, que son planetas que orbitan alrededor de otras estrellas, es una que se enfoca en planetas distantes del resplandor cegador de la estrella. Los científicos han encontrado exoplanetas jóvenes que son tan calientes que brillan en luz infrarroja utilizando técnicas de imágenes especializadas que bloquean el resplandor de las estrellas. De esta forma, algunos exoplanetas se pueden ver y estudiar directamente.
El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA ayudará a los astrónomos a investigar más en esta nueva y audaz frontera. El Webb, como algunos telescopios terrestres, está equipado con sistemas ópticos especiales llamados coronógrafos, que utilizan máscaras diseñadas para bloquear la mayor cantidad de luz estelar posible para estudiar exoplanetas débiles y descubrir nuevos mundos.
Los dos objetivos al comienzo de la misión de Webb son los sistemas planetarios 51 Eridani y HR 8799. De las docenas de planetas fotografiados directamente, los astrónomos planean usar Webb para un análisis detallado de los sistemas más cercanos a la Tierra y los planetas más alejados de su estrella. Esto significa que aparecen lo suficientemente lejos de la luz de las estrellas como para ser observados directamente. El sistema HR 8799 está a 133 años luz y 51 Eridani a 96 años luz de la Tierra.
Los objetivos planetarios de Webb
Dos programas de observación al comienzo de la misión Webb combinan las capacidades espectroscópicas del espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y las capacidades de imagen de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) para estudiar cuatro planetas gigantes en el Sistema HR 8799. En el tercer programa, los científicos utilizarán NIRCam para analizar el planeta gigante en 51 Eridani.
Esta imagen de descubrimiento de un planeta extrasolar del tamaño de Júpiter que orbita la estrella cercana 51 Eridani fue tomada en infrarrojo cercano en 2014 por Gemini Planet Imager. La brillante estrella central está oculta detrás de una máscara en el centro de la imagen para permitir la detección de un exoplaneta que es 1 millón de veces más débil que 51 Eridani. El exoplaneta está ubicado en la periferia del sistema planetario, a 11 mil millones de millas de su estrella. Webb estudiará la atmósfera del planeta en longitudes de onda infrarrojas que los astrónomos rara vez utilizan para tomar fotografías de mundos distantes. Fuente: Observatorio Internacional Gemini / NOIRLab / NSF / AURA, J. Rameau (Universidad de Montreal) y C. Marois (Consejo Nacional de Investigación de Canadá Herzberg)
Los cuatro planetas gigantes del sistema HR 8799 tienen aproximadamente 10 masas de Júpiter. Orbitan a más de 14 mil millones de millas de una estrella que es un poco más masiva que el sol. El planeta gigante en 51 Eridani tiene el doble de masa que Júpiter y orbita a unos 11 mil millones de millas de una estrella similar al sol. Ambos sistemas planetarios tienen órbitas frente a la Tierra. Esta orientación les da a los astrónomos una oportunidad única de obtener una vista aérea de los picos de los sistemas, muy parecido a mirar los anillos concéntricos de un objetivo de tiro con arco.
Muchos de los exoplanetas en las órbitas exteriores de sus estrellas son muy diferentes de los planetas del sistema solar. La mayoría de los exoplanetas descubiertos en esta región exterior, incluidos los de HR 8799, tienen una masa de entre 5 y 10 masas de Júpiter, lo que los convierte en los planetas más masivos jamás encontrados.
Estos exoplanetas exteriores son relativamente jóvenes, y van desde decenas de millones a cientos de millones de años, mucho más jóvenes que los 4.500 millones de años de nuestro sistema solar. Entonces todavía brillan con la calidez de su formación. Las imágenes de estos exoplanetas son esencialmente imágenes de bebés, que muestran los planetas en su juventud.
Webb sondeará en el rango del infrarrojo medio, un rango de longitud de onda que los astrónomos rara vez han usado antes para obtener imágenes de mundos distantes. Esta “ventana” infrarroja es difícil de ver desde el suelo debido a la emisión y absorción de calor en la atmósfera terrestre.
“La fuerza de Webb es la luz sin restricciones que atraviesa el espacio en el rango del infrarrojo medio”, dijo Klaus Hodapp de la Universidad de Hawai en Hilo, investigador principal del sistema de observación HR 8799 NIRSpec. “La atmósfera de la Tierra es bastante difícil de penetrar. Las principales moléculas absorbentes de nuestra atmósfera nos impiden ver las características interesantes de los planetas ”.
El infrarrojo medio “es la región donde Webb realmente hará una contribución significativa para comprender qué son las moléculas individuales, cuáles son las propiedades atmosféricas que esperamos encontrar y que realmente no obtendremos con las longitudes de onda más cortas del infrarrojo cercano. “, dijo Charles Beichman del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, investigador principal de las observaciones NIRCam y el MIRI del sistema HR 8799.” Nos basaremos en lo que han hecho los observatorios terrestres, pero el objetivo es expandir esto de una manera que no hubiera sido posible sin Webb “.
¿Cómo se forman los planetas?
Uno de los principales objetivos de los científicos en ambos sistemas es utilizar Webb para determinar cómo se forman los exoplanetas. ¿Se formó por la acumulación de material en el disco que rodea a la estrella, enriquecido con elementos pesados como el carbono, como probablemente hizo Júpiter? ¿O se formaron a partir del colapso de una nube de hidrógeno, como una estrella, y se hicieron más pequeños bajo la constante atracción de la gravedad?
La composición atmosférica puede proporcionar pistas sobre el nacimiento de un planeta. “Una de las cosas que queremos entender es la proporción de los elementos que participaron en la formación de estos planetas”, dijo Beichman. “El carbono versus el oxígeno en particular dice bastante acerca de dónde vino el gas que formó el planeta. ¿Fue de un disco con elementos mucho más pesados o de un medio interestelar? nombrar la proporción de carbono a oxígeno que es bastante indicativo de los mecanismos de formación. “
Para responder a estas preguntas, los científicos utilizarán Webb para explorar más profundamente la atmósfera de los exoplanetas. Por ejemplo, NIRCam medirá las huellas atmosféricas de elementos como el metano. También observará las características de las nubes y las temperaturas de estos planetas. “Ya tenemos mucha información sobre estas longitudes de onda del infrarrojo cercano de objetos terrestres”, dijo Marshall Perrin del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, investigador principal de las observaciones NIRCam 51 Eridani b. “Pero los datos de Webb serán mucho más preciso, mucho más sensible. Tendremos un conjunto más completo de longitudes de onda, incluido el llenado de los espacios donde estas longitudes de onda no se pueden obtener desde el suelo ‘.
Los astrónomos también utilizarán Webb y su excelente sensibilidad para buscar planetas menos masivos lejos de su estrella. “Sabemos por observaciones terrestres que estos planetas masivos son relativamente raros”, dijo Perrin. “Pero también sabemos que para las partes internas de los sistemas, los planetas con una masa menor son dramáticamente más comunes que los planetas con una masa mayor. Entonces la pregunta es, ¿esto también se aplica a estas separaciones adicionales? ” Beichman agregó: “La operación de Webb en el entorno del espacio frío hace posible la búsqueda de planetas más pequeños y débiles indetectables desde la Tierra”.
Otro objetivo es comprender cómo se formaron los innumerables sistemas planetarios descubiertos hasta ahora.
“Creo que estamos descubriendo una gran variedad de sistemas solares”, dijo Perrin. “Tienes sistemas en los que tienes estos planetas calientes de Júpiter en órbitas muy cercanas. Tienes sistemas que no los tienen. Tienes sistemas en los que tienes un planeta de 10 Júpiter y otros en los que no tienes nada más masivo que unas pocas Tierras.En última instancia, queremos comprender cómo la variabilidad en la formación de un sistema planetario depende del entorno de la estrella, la masa de la estrella, todo tipo. de otras cosas y, en última instancia, a través de estos estudios a nivel de población, esperamos poner nuestro propio sistema solar en contexto “.
Las observaciones espectroscópicas de NIRSpec HR 8799 y las observaciones de NIRCam 51 Eridani son parte de los programas de observación de tiempo garantizado que se llevarán a cabo poco después del lanzamiento de Webb a finales de este año. Las observaciones de NIRCam y MIRI de HR 8799 son el resultado de una colaboración entre dos equipos de instrumentos y también forman parte del programa de Vigilancia de Tiempo Garantizado.
Proporcionado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA