Aunque en los últimos meses se han hecho famosas las impresionantes imágenes del cosmos captadas por el telescopio espacial James Webb (JWST), este gran observatorio de la NASA y la ESA acaba de obtener otra primicia: la huella química de la atmósfera de un exoplaneta, donde se encuentra por primera vez dióxido de azufre (SO2). 

El conjunto de instrumentos altamente sensibles del telescopio se enfocó en la atmósfera de un "saturno caliente", un planeta tan masivo como Saturno que orbita una estrella a unos 700 años luz de distancia, conocido como WASP-39 b.

La detección de dióxido de azufre en la atmósfera de WASP-39 b supone la primera evidencia de fotoquímica (reacciones químicas iniciadas por luz estelar energética) en exoplanetas

 
 
Si bien el Webb y otros telescopios espaciales, incluidos el Hubble y el Spitzer, han revelado previamente compuestos aislados de la atmósfera de este planeta caliente, las nuevas lecturas brindan un menú completo de átomos, moléculas e incluso signos de química activa y de la presencia de nubes. Los nuevos datos también dan una pista de cómo se verían estas nubes de cerca: divididas en lugar de una capa única y uniforme sobre el planeta. 

"Observamos el exoplaneta con múltiples instrumentos que, juntos, brindan una amplia franja del espectro infrarrojo y una panoplia de huellas dactilares químicas inaccesibles hasta el JWST", dice Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California en Santa Cruz (EE UU), quien contribuyó y ayudó a coordinar la nueva investigación.

 El conjunto de descubrimientos se detalla en un conjunto de cinco nuevos artículos científicos, que se publicarán en una revista de alto impacto y se hacen ahora disponibles. Entre las revelaciones sin precedentes se encuentra la primera detección en la atmósfera de un exoplaneta de dióxido de azufre, una molécula producida a partir de reacciones químicas provocadas por la luz de alta energía de la estrella madre del planeta. En la Tierra, la capa protectora de ozono en la atmósfera superior se crea de manera similar.

Una señal y reacción peculiares
“En los primeros datos vimos una señal muy peculiar en la atmósfera de este planeta cuyo origen no logramos entender. Ahora, con este análisis, hemos podido inferir que se trataba de la huella que deja el dióxido de azufre producido por la alta radiación que el planeta recibe de su estrella en las capas altas de la atmósfera”, indica Jorge LilloBox, investigador postdoctoral del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) que ha participado en el estudio.

Según Shang-Min Tsai, investigador de la Universidad de Oxford en el Reino Unido y autor principal del artículo que explica el origen del dióxido de azufre en la atmósfera de WASP-39 b, “Esta es la primera vez que vemos evidencia concreta de fotoquímica (reacciones químicas iniciadas por luz estelar energética) en exoplanetas”. 

 La presencia de dióxido de azufre (SO2) en la atmósfera de WASP-39b solo se puede explicar por la fotoquímica: reacciones químicas desencadenadas por partículas de luz estelar de alta energía. La fotoquímica es esencial para procesos en la Tierra clave para la vida como la fotosíntesis y la generación de nuestra capa de ozono. / NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Centro de Astrofísica-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss. Traducción y adaptación al español: Jorge Lillo-Box/CAB
A una temperatura estimada de 1.600 grados Fahrenheit (900 grados Celsius) y una atmósfera compuesta principalmente de hidrógeno, no se cree que WASP-39 b sea habitable. Pero el nuevo trabajo señala el camino para encontrar potenciales rastros de vida en un planeta habitable. 

Con sus 900 ºC y una atmósfera rica en hidrógeno, no se cree que WASP-39 b sea habitable, pero el nuevo trabajo señala el camino para encontrar potenciales rastros de vida en un planeta habitable 

 
 
La proximidad del planeta a su estrella anfitriona, ocho veces más cerca que Mercurio de nuestro Sol, también lo convierte en un laboratorio para estudiar los efectos de la radiación de las estrellas anfitrionas en los exoplanetas. Un mejor conocimiento de la conexión estrella-planeta debería traer una comprensión más profunda de cómo estos procesos crean la diversidad de planetas observados en la galaxia. 

Además de sodio, potasio y agua, el telescopio Webb también vio dióxido de carbono a una resolución alta, proporcionando el doble de datos que los informados en sus observaciones anteriores.

Mientras tanto, se detectó monóxido de carbono, pero las firmas obvias de metano y sulfuro de hidrógeno estaban ausentes de los datos de Webb. Si están presentes, estas moléculas se encuentran en niveles muy bajos, un hallazgo significativo para los científicos que realizan inventarios de la química de los exoplanetas para comprender mejor la formación y el desarrollo de estos mundos distantes. 

Tres instrumentos: NIRSpec, NIRCam y NIRISS
Webb observa el universo en luz infrarroja, en el extremo rojo del espectro de luz más allá de lo que pueden ver los ojos humanos; eso permite que el telescopio recoja huellas químicas que no se pueden detectar en la luz visible. En total se han utilizado tres instrumentos para caracterizar en profundidad la atmósfera de este planeta en el rango infrarrojo: NIRSpec, NIRCam y NIRISS.

 Este gráfico muestra cuatro espectros de transmisión de tres de los instrumentos de JWST operados en cuatro modos. Un espectro de transmisión se realiza comparando la luz estelar filtrada a través de la atmósfera de un planeta cuando se mueve delante de la estrella, con la luz estelar no filtrada detectada cuando el planeta está al lado de la estrella. Cada uno de los puntos de datos (círculos blancos) en estos gráficos representa la cantidad de una longitud de onda específica de luz que es bloqueada por el planeta y absorbida por su atmósfera. Las longitudes de onda que son absorbidas preferentemente por la atmósfera aparecen como picos en el espectro de transmisión. / NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
"Realmente se pueden restringir con precisión las propiedades de estos planetas al tener un espectro tan amplio", señala Adina Feinstein, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago y primera autora del artículo que se enfoca en las observaciones de espectro usando NIRISS, “entonces comienzas a obtener una imagen completa [de las atmósferas] que no podías obtener antes”. 

Parte de la luz de la estrella se filtra a través de la atmósfera del planeta cuando este pasa por delante, y las diferentes sustancias químicas atmosféricas absorben distintos colores del espectro de luz estelar. Los colores que faltan indican a los astrónomos qué moléculas están presentes

 
 
Para ver la luz de WASP-39 b, Webb siguió el paso del planeta frente a su estrella, lo que permitió que parte de la luz de la estrella se filtrara a través de la atmósfera del planeta. Los diferentes tipos de sustancias químicas en la atmósfera absorben diferentes colores del espectro de luz de las estrellas, por lo que los colores que faltan indican a los astrónomos qué moléculas están presentes. 

Tener una lista tan completa de ingredientes químicos en la atmósfera de un exoplaneta también les da a los científicos una idea de la abundancia de diferentes elementos en relación entre sí, como las proporciones de carbono a oxígeno o de potasio a oxígeno. 

Pistas sobre la formación del exoplaneta
Eso, a su vez, proporciona una idea de cómo este planeta, y quizás otros, se formaron a partir del disco de gas y polvo que rodeaba a la estrella madre en sus años más jóvenes. El inventario químico de WASP-39 b sugiere una historia de aplastamientos y fusiones de cuerpos más pequeños llamados planetesimales para crear un eventual planeta gigante.

Los nuevos hallazgos proporcionan una buena idea de la capacidad de los instrumentos del Webb para realizar la amplia gama de investigaciones de exoplanetas (planetas alrededor de otras estrellas) que espera la comunidad científica. Eso incluye sondear las atmósferas de planetas rocosos más pequeños como los del sistema TRAPPIST-1.

“Estos resultados son una confirmación de la capacidad de los instrumentos del JWST para explorar la atmosferas de todo tipo de exoplanetas, incluidos los mundos pequeños y rocosos”, subraya Enric Pallé, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) que ha participado en el estudio.

Por su parte, David Barrado, investigador del CAB, resalta que al telescopio Webb se le añadirán en el futuro otros en orbita, como PLATO, o en Tierra, como el ELT que se está construyendo en Chile, proyectos en los que también participa el Centro de Astrobiología.