Los datos recopilados con el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, combinados con observaciones previas del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, muestran sorprendentemente poco metano (CH4) en la atmósfera del planeta, lo que indica que el interior de WASP-107 b debe ser significativamente más caliente y el núcleo mucho más masivo de lo que se había estimado anteriormente.
Se cree que la temperatura inesperadamente alta es el resultado del calentamiento de las mareas causado por la órbita ligeramente no circular del planeta, y puede explicar cómo WASP-107 b puede estar tan inflado sin recurrir a teorías extremas de cómo se formó.
Los resultados, que fueron posibles gracias a la extraordinaria sensibilidad de Webb y la capacidad que la acompaña para medir la luz que pasa a través de las atmósferas de los exoplanetas, pueden explicar la hinchazón de docenas de exoplanetas de baja densidad, ayudando a resolver un misterio de larga data en la ciencia de los exoplanetas.
Imagen: Exoplaneta gigante gaseoso cálido WASP-107 b (Concepto del artista)
El problema con WASP-107 b
Con más de tres cuartas partes del volumen de Júpiter pero menos de una décima parte de la masa, el exoplaneta WASP-107 b de "Neptuno caliente" es uno de los planetas menos densos conocidos. Si bien los planetas hinchados no son infrecuentes, la mayoría son más calientes y masivos y, por lo tanto, más fáciles de explicar.
"Basándonos en su radio, masa, edad y temperatura interna asumida, pensamos que WASP-107 b tenía un núcleo rocoso muy pequeño rodeado por una enorme masa de hidrógeno y helio", explicó Luis Welbanks, de la Universidad Estatal de Arizona (ASU), autor principal de un artículo publicado en Nature. "Pero era difícil entender cómo un núcleo tan pequeño podía barrer tanto gas y luego no llegar a crecer completamente hasta convertirse en un planeta con la masa de Júpiter".
Si, en cambio, WASP-107 b tiene más masa en el núcleo, la atmósfera debería haberse contraído a medida que el planeta se enfriaba con el tiempo desde que se formó. Sin una fuente de calor para volver a expandir el gas, el planeta debería ser mucho más pequeño. Aunque WASP-107 b tiene una distancia orbital de solo 5 millones de millas (una séptima parte de la distancia entre Mercurio y el Sol), no recibe suficiente energía de su estrella para estar tan inflada.
"WASP-107 b es un objetivo muy interesante para Webb porque es significativamente más frío y más parecido a Neptuno en masa que muchos de los otros planetas de baja densidad, los Júpiter calientes, que hemos estado estudiando", dijo David Sing de la Universidad Johns Hopkins (JHU), autor principal de un estudio paralelo también publicado hoy en Nature. "Como resultado, deberíamos ser capaces de detectar metano y otras moléculas que pueden darnos información sobre su química y dinámica interna que no podemos obtener de un planeta más caliente".
Una gran cantidad de moléculas antes indetectables
El radio gigante, la atmósfera extendida y la órbita de canto de WASP-107 b lo hacen ideal para la espectroscopia de transmisión, un método utilizado para identificar los diversos gases en la atmósfera de un exoplaneta en función de cómo afectan a la luz de las estrellas.
Combinando observaciones de la NIRCam (Cámara de Infrarrojo Cercano) de Webb, el MIRI (Instrumento de Infrarrojo Medio) de Webb y la WFC3 (Cámara de Campo Amplio 3) del Hubble, el equipo de Welbanks pudo construir un amplio espectro de luz de 0,8 a 12,2 micras absorbida por la atmósfera de WASP-107 b. Utilizando el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb, el equipo de Sing construyó un espectro independiente que cubría de 2,7 a 5,2 micras.
La precisión de los datos hace posible no solo detectar, sino medir la abundancia de una gran cantidad de moléculas, incluido el vapor de agua (H2O), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO)2), y el amoníaco (NH3).
Imagen: Espectro de transmisión del exoplaneta gigante gaseoso cálido WASP-107 b (Hubble WFC3, Webb NIRCam y Webb MIRI
Imagen:Exoplaneta gigante gaseoso cálido WASP-107 b (Espectro de transmisión: Webb NIRSpec)
Gas turbulento, interior caliente y núcleo masivo
Ambos espectros muestran una sorprendente falta de metano en la atmósfera de WASP-107 b: una milésima parte de la cantidad esperada en función de su temperatura asumida.
"Esta es una evidencia de que el gas caliente de las profundidades del planeta debe estar mezclándose vigorosamente con las capas más frías más arriba", explicó Sing. "El metano es inestable a altas temperaturas. El hecho de que hayamos detectado tan poco, a pesar de que detectamos otras moléculas que contienen carbono, nos dice que el interior del planeta debe ser significativamente más caliente de lo que pensábamos".
Una fuente probable de energía interna adicional de WASP-107 b es el calentamiento de las mareas causado por su órbita ligeramente elíptica. Con la distancia entre la estrella y el planeta cambiando continuamente a lo largo de la órbita de 5,7 días, la atracción gravitacional también está cambiando, estirando el planeta y calentándolo.
Los investigadores habían propuesto previamente que el calentamiento de las mareas podría ser la causa de la hinchazón de WASP-107 b, pero hasta que se obtuvieron los resultados de Webb, no había evidencia.
Una vez que establecieron que el planeta tiene suficiente calor interno para agitar completamente la atmósfera, los equipos se dieron cuenta de que los espectros también podrían proporcionar una nueva forma de estimar el tamaño del núcleo.
"Si sabemos cuánta energía hay en el planeta, y sabemos qué proporción del planeta son elementos más pesados como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre, en comparación con la cantidad de hidrógeno y helio, podemos calcular cuánta masa debe haber en el núcleo", explicó Daniel Thorngren de JHU.
Resulta que el núcleo es al menos dos veces más masivo de lo que se estimó originalmente, lo que tiene más sentido en términos de cómo se forman los planetas.
En conjunto, WASP-107 b no es tan misterioso como parecía.
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