Los primeros objetivos del Telescopio James Webb

Los astrónomos estrenarán los espectrógrafos de alta precisión del Telescopio James Webb en dos intrigantes exoplanetas rocosos.

Muchos esperamos con impaciencia las primeras fotos del telescopio Webb. Serán fotos posiblemente fotos bonitas y espectaculares, pues su función será más bien publicitaria que científica. Se espera que se hagan públicas el próximo día 12 de junio.

Hemos tenido que esperar varios meses desde su lanzamiento para que se alinearan los elementos de su espejo segmentado y se calibraran instrumentos científicos. Además, ha sido necesario que gran parte del telescopio y su instrumental rebajara su temperatura a unos pocos grados por encima del cero absoluto, pues se trata de un telescopio de infrarrojo.

Después de que se publiquen esas primeras foros se empezará a hacer ciencia de verdad. ¿Cuales serán sus primeros objetivos científicos?

Entre las investigaciones previstas para el primer año se encuentran los estudios de dos exoplanetas calientes clasificados como supertierras debido a su tamaño y composición rocosa: 55 Cancri e y LHS 3844 b.

Muy posiblemente 55 Cancri e esté cubierto de lava y que LHS 3844 b carezca de atmósfera. Los investigadores entrenarán los espectrógrafos de alta precisión de Webb en estos planetas con miras a comprender la diversidad geológica de los planetas en toda la galaxia y la evolución de los planetas rocosos como la Tierra.

55 Cancri e orbita a menos de 1 millón de km de su estrella, que es una estrella similar al Sol. Esta distancia es unas veinticinco veces menor que la distancia entre Mercurio y el Sol. Completa una órbita en menos de 18 horas. Con temperaturas superficiales muy por encima del punto de fusión de los típicos minerales que forman las rocas. Se cree que el lado diurno del planeta está cubierto de océanos de lava.

Mientras que 55 Cancri e proporcionará información sobre la geología exótica de un mundo cubierto de lava, LHS 3844 b brinda una oportunidad única para analizar la roca sólida en la superficie de un exoplaneta.

Al igual que 55 Cancri e, LHS 3844 b orbita extremadamente cerca de su estrella, completando una revolución en 11 horas. Sin embargo, debido a que su estrella es relativamente pequeña y fría, el planeta no está lo suficientemente caliente como para que la superficie se funda. Además, las observaciones de Spitzer indican que es muy poco probable que el planeta tenga atmósfera.

Si bien no podremos obtener imágenes de la superficie de LHS 3844 b directamente con Webb, la falta de una atmósfera hace posible estudiar la superficie con espectroscopia directamente.

Diferentes tipos de roca tienen espectros diferentes. Así como se puede ver a simple vista que el granito es de color más claro que el basalto, hay diferencias similares espectrales en la gama infrarroja que emiten las rocas.

El equipo de Laura Kreidberg (Instituto Max Planck de Astronomía) utilizará MIRI para capturar el espectro de emisión térmica del lado diurno de LHS 3844 b y luego lo comparará con espectros de rocas conocidas, como basalto y granito, para así determinar su composición. Si el planeta es volcánicamente activo, el espectro también podría revelar la presencia de trazas de gases volcánicos.

La importancia de estas observaciones va mucho más allá de solo dos de los más de 5000 exoplanetas confirmados en la galaxia, pues proporcionaran nuevas perspectivas sobre los planetas similares a la Tierra en general y ayudarán a los astrofísicos a aprender cómo podría haber sido la Tierra primitiva cuando se estaba formando y hacía calor, condiciones calurosas similares a las estos planetas hoy en día.

Estas observaciones de 55 Cancri e y LHS 3844 b se realizarán como parte del programa de Observadores Generales del Ciclo 1 de Webb. Los programas de Observadores Generales se seleccionaron de forma competitiva mediante un sistema de revisión anónimo dual, el mismo sistema utilizado para asignar tiempo en el telescopio espacial Hubble.

Se supone que los planetas que orbitan tan cerca de su estrella enfrentan la misma cara a su estrella debido al efecto de las mareas. Como resultado, el punto más caliente del planeta debería ser el que esté más directamente frente a la estrella y la cantidad de calor procedente del lado diurno no debería cambiar mucho con el tiempo. Pero este no parece ser el caso. Las observaciones de 55 Cancri e realizadas con el telescopio espacial Spitzer de la NASA sugieren que la región más caliente está desplazada de la parte que mira a la estrella más directamente, mientras que la cantidad total de calor detectada en el lado diurno varía.

Una explicación para estas observaciones es que el planeta tenga una atmósfera dinámica que mueva el calor. Así, 55 Cancri e podría tener una atmósfera densa dominada por oxígeno o nitrógeno. Si tiene una atmósfera, los instrumento de Webb tiene la sensibilidad para detectarlo y determinar de qué está hecha, pues opera en la longitud de onda adecuada. Es decir, en principio no se centrará en la luz reflejada por el planeta, sino en la emisión infrarroja del propio planeta debido a que este está caliente.

Sin embargo, otra posibilidad intrigante es que 55 Cancri e no enfrente siempre la misma cara a su estrella, sino que puede sea como Mercurio y que gire tres veces por cada dos órbitas, lo que se conoce como resonancia 3:2. El resultado sería que el planeta tendría un ciclo día-noche. Eso podría explicar por qué se desplaza la parte más caliente del planeta. Al igual que en la Tierra, la superficie tardaría un tiempo en calentarse. El momento más caluroso del día sería por la tarde, no justo al mediodía.

El equipo de Alexis Brandeker (Universidad de Estocolmo) planea poner a prueba esta hipótesis utilizando el instrumento NIRCam. Con él desean medir el calor emitido por el lado iluminado de 55 Cancri e durante cuatro órbitas diferentes. Si el planeta tiene una resonancia de 3:2, entonces observarán cada hemisferio dos veces y deberían poder detectar cualquier diferencia entre los hemisferios.

En este escenario, la superficie se calentaría, se derretiría e incluso se vaporizaría durante el día, formando una atmósfera muy delgada que Webb podría detectar. Por la noche, el vapor se enfriaría y se condensaría para formar gotas de lava que lloverían de regreso a la superficie, volviendo a solidificarse al caer la noche. Como vemos, el planeta tendría un clima un tanto curioso y extremo.

Si bien no podremos obtener imágenes de la superficie de LHS 3844 b directamente con Webb, la falta de una atmósfera hace posible estudiar la superficie con espectroscopia directamente.