Nuevo modo de estudiar las atmósferas de los exoplanetas: Desvelados los misterios de Tau Boötis b

Por primera vez, una nueva e ingeniosa técnica ha permitido a los astrónomos estudiar la atmósfera de un exoplaneta en detalle — incluso sin la necesidad de que pase delante de su estrella anfitriona. Un equipo internacional ha utilizado el Very Large Telescope (VLT) de ESO para captar directamente el débil brillo del planeta Tau Boötis b. Por primera vez, han estudiado la atmósfera del planeta y medido su órbita y su masa de forma muy precisa — resolviendo así un antiguo problema con quince años de antigüedad. Sorprendentemente, el equipo también ha descubierto que la atmósfera del planeta parece más fría cuanto más se aleja de la superficie, lo contrario de lo que se esperaba. Los resultados se publicarán en el número del 28 de junio de 2012 de la revista Nature.

El planeta Tau Boötis b [1] fue uno de los primeros exoplanetas descubiertos en 1996, y sigue siendo uno de los exoplanetas más cercanos que se conocen. Pese a que su estrella anfitriona es fácilmente visible a simple vista, obviamente el propio planeta no lo es, y hasta el momento solo podía detectarse por sus efectos gravitatorios sobre la estrella. Tau Boötis b es un gran “júpiter caliente” que orbita muy cerca de su estrella anfitriona.

Como muchos exoplanetas, este no transita el disco de su estrella (como en el reciente tránsito de Venus). Hasta ahora estos tránsitos eran esenciales para permitir el estudio de las atmósferas de los júpiteres calientes: cuando un planeta pasa frente a su estrella las propiedades de su atmósfera quedan impresas en la luz de la estrella. Como no hay luz estelar que brille a través de la atmósfera de Tau Boötis b hacia nosotros, la atmósfera del planeta no ha podido ser estudiada antes.

Pero ahora, tras 15 años intentando estudiar el débil brillo que emiten exoplanetas de tipo júpiter caliente, los astrónomos han podido finalmente estudiar, de forma fidedigna, la estructura de la atmósfera de Tau Boötis b y deducir su masa de un modo preciso por primera vez. El equipo utilizó el instrumento CRIRES [2], instalado en el Very Large Telescope (VLT) en el Observatorio Paranal de ESO, en Chile. Combinaron observaciones infrarrojas de alta calidad (en longitudes de onda de alrededor de 2,3 micras) [3] con un nuevo e ingenioso truco para extraer la débil señal del planeta a partir de la luz mucho más potente emitida por la estrella anfitriona [4].

El investigador principal de este trabajo, Matteo Brogi (Observatorio Leiden, Países Bajos) explica: “Gracias a las observaciones de alta calidad proporcionadas por el VLT y CRIRES fuimos capaces de estudiar el espectro del sistema con el nivel de detalle más alto logrado hasta el momento. Solo un  0.01% de la luz que vemos viene del planeta, y el resto proviene de la estrella, por lo que no fue fácil”.

La mayoría de los planetas alrededor de otras estrellas fueron descubiertos por sus efectos gravitatorios sobre las estrellas anfitrionas, lo que limita la información que puede obtenerse de su masa: solo permiten obtener un límite inferior para la masa de un planeta [5]. La nueva técnica pionera es mucho más poderosa. Ver directamente la luz del planeta ha permitido a los astrónomos medir el ángulo de la órbita del planeta y, de ahí, extraer su masa con precisión. Trazando los cambios en el movimiento del planeta a medida que orbita a su estrella, el equipo ha determinado por primera vez, de forma fidedigna, que Tau Boötis b orbita a su estrella anfitriona con un ángulo de 44 grados y tiene seis veces la masa del planeta Júpiter.

“Las nuevas observaciones de VLT resuelven un problema de 15 años de antigüedad: resolver la masa de Tau Boötis b. Y la nueva técnica también significa que, a partir de ahora, podremos estudiar las atmósferas de los exoplanetas que no transitan a sus estrellas, así como medir sus masas de forma precisa, lo cual antes era imposible”, afirma Ignas Snellen (Observatorio de Leiden, Países Bajos), co-autor del artículo. “Es un gran paso adelante.”

Además de detectar el brillo de la atmósfera y de medir la masa de Tau Boötis b, el equipo ha estudiado su atmósfera y medido la cantidad de monóxido de carbono existente, así como la temperatura a diferentes alturas por medio de una comparación hecha entre las observaciones y unos modelos teóricos. Uno de los resultados más sorprendentes de este trabajo ha sido que las nuevas observaciones indicaban una atmósfera con una temperatura que desciende a medida que aumenta la altura. Este resultado es exactamente el opuesto a la inversión térmica — un aumento en la temperatura a mayor altitud — encontrado en otros exoplanetas tipo Júpiter [6] [7].

Las observaciones del VLT muestran que la espectroscopía de alta resolución de telescopios basados en tierra es una herramienta muy útil para un análisis detallado de las atmósferas de los planetas que no hacen tránsito estelar. La detección de diferentes moléculas en el futuro, permitirá a los astrónomos aprender más sobre las condiciones atmosféricas de los planetas. Haciendo medidas a lo largo de la órbita del planeta, los astrónomos podrían incluso ser capaces de detectar cambios atmosféricos entre la mañana y la tarde del planeta.

“Este estudio muestra el enorme potencial de los telescopios basados en tierra, tanto de los ya existentes como de los que llegarán en el futuro, como el E-ELT. Tal vez algún día, utilizando esta técnica, encontremos evidencias de actividad biológica en planetas similares a la Tierra”, concluye Ignas Snellen.

Notas

[1] El nombre del planeta, Tau Boötis b, combina el nombre de la estrella (Tau Boötis, o τ Bootis, τ es la letra griega “tau”, no la letra “t”) con la letra “b” que indica que es el primer planeta encontrado alrededor de esta estrella. La designación Tau Boötis a se utiliza para la propia estrella.
[2] Siglas de CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer (Espectrómetro Echelle infrarrojo criogénico).
[3] En longitudes de onda infrarrojas, la estrella anfitriona emite menos luz que en el rango óptico, por lo que es una longitud de onda favorable para separar la tenue señal del planeta.
[4] Este método utiliza la velocidad radial del planeta en órbita alrededor de su estrella anfitriona para distinguir su radiación de la emitida por la estrella y de fenómenos provenientes de la propia atmósfera terrestre. El mismo equipo de astrónomos probó esta técnica anteriormente con un planeta en tránsito, midiendo su velocidad orbital mientras cruzaba el disco de la estrella.
[5] Esto se debe a que, normalmente, no se conoce la inclinación de la órbita. Si la órbita del planeta está inclinada en relación a la línea de visión que hay entre la Tierra y la estrella, un planeta más masivo causa, una y otra vez, el mismo movimiento a una estrella que un planeta de menor tamaño en una órbita menos inclinada, y no es posible separar ambos efectos.
 [6] Se cree que las inversiones térmicas son caracterizadas en el espectro por fenómenos moleculares en emisión, más que por fenómenos de absorción, tal y como se extrae de las observaciones fotométricas de Júpiteres calientes obtenidas con el telescopio espacial Spitzer. El exoplaneta HD209458b es el ejemplo mejor estudiado de inversión térmica en las atmósferas de exoplanetas.
[7] Esta observación apoya modelos en los cuales la fuerte emisión ultravioleta, asociada a la actividad cromosférica — similar a la exhibida por la estrella anfitriona de Tau Boötis b — es responsable de la inhibición de la inversión térmica.

Información adicional

Esta investigación fue presentada en el artículo “The signature of orbital motion from the dayside of the planet τ Boötis b”, que aparecerá en la revista Nature el 28 de junio de 2012.

El equipo está compuesto por Matteo Brogi (Observatorio de Leiden, Países Bajos), Ignas A. G. Snellen (Observatorio de Leiden), Remco J. de Kok (SRON, Utrecht, Países Bajos), Simon Albrecht (Instituto Massachusetts de Tecnología, Cambridge, EE.UU.), Jayne Birkby (Observatorio de Leiden) and Ernst J. W. de Mooij (Universidad de Toronto, Canadá; Observatorio de Leiden).

El año 2012 marca el 50 aniversario de la creación del Observatorio Europeo Austral (European Southern Observatory, ESO). ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Quince países apoyan esta institución: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Holanda, Italia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera tres sitios únicos de observación de categoría mundial en Chile: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (sigla en inglés del Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, el proyecto astronómico más grande en desarrollo. Actualmente ESO está planificando el European Extremely Large Telescope, E-ELT, el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de categoría 40 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.