domingo, 5 de marzo de 2017

Exosferas en TRAPPIST-1 y las atmósferas terrestres

Indicios sobre el posible descubrimiento de exosferas en algunos de los planetas de TRAPPIST-1 nos permiten intuir el origen y la formación de los 7 planetas. El descubrimiento de planetas terrestres orbitando en TRAPPIST-1 es una oportunidad inmejorable. Las excepcionales condiciones de observación de las atmósferas de sus planetas facilitarán la comprensión de ese fenómeno esencialmente desconocido que es la habitabilidad de las enanas rojas, permitiendo construir modelos mucho más depurados. No lo olvidemos. TRAPPIST-1 es, ante todo, un Laboratorio de Habitabilidad Planetaria.

Esta recreación artística de GJ 436 b bien podría representar también a TRAPPIST-1 c. Sería una visión espectacular desde el resto de planetas del sistema. (Fuente: ESA / Hubble)

Nuestro conocimiento de las atmósferas de los exoplanetas más o menos terrestres es rudimentario. Demos un repaso:

Durante 2013-2015 se publicaron algunos artículos sobre la atmósfera de GJ 3470 b (13.7 M⊕) que terminaron detectando la dispersión Rayleigh. Es un minineptuno que, como consecuencia, de la dispersión debería mostrar cierta coloración azul.

Menos masivo es GJ 1214 b (6,26 M⊕), un planeta que ha causado auténtica fascinación. A pesar de los extraordinarios esfuerzos y enormes recursos empleados no se ha detectado atmósfera alguna. En 2014, tras utilizar intensamente el Hubble, seguía sin detectarse ningún detalle, aunque parece poder rechazarse una atmósfera con hidrógeno (sin nubes) junto con el caso dominado por el vapor de agua. HD97658 b (7,55 M⊕) y GJ 436 b (25,42 M⊕) son casos similares que también esconden la naturaleza de sus atmósferas en el visible, mostrando un espectro plano, sin detalles.

Sin embargo, Tsiaras anunció en 2016 (preprint 2015) una atmósfera rica en hidrógeno y posiblemente HCN para 55 Cancri e (8,08 M⊕), pero el hallazgo no ha sido confirmado y no faltan voces discrepantes. Demory considera que es rocoso y que la atmósfera no existe, porque si existiera en un planeta tan cercano a su estrella, a miles de grados de temperatura, dejaría escapar parte de su atmósfera al espacio, creando una exosfera que Ehrenreich no pudo detectar.

55 Cancri e. Demory muestra durante un congreso que el descubrimiento de la atmósfera de hidrógeno no es compatible con la falta de una exosfera. (Fuente: Demory 2017)


Mucho más terrestre es el pequeño planeta GJ 1132 b (1,6 M⊕). Finalizando 2016 apareció en el preprint la detección de Southworth et al. de una atmósfera de hidrógeno que no ha podido ser confirmada. De hecho, en enero los datos mostrados por Diamond-Lowe durante el congreso de la AAS inducen a pensar lo contrario… Hum. No pegaba mucho esa atmósfera rica en hidrógeno en un planeta terrestre.

GJ 1132 b. Diamond-Lowe parece no encontrar atmósfera alguna. (Diamond-Lowe, 2017)


Y, por supuesto, TRAPPIST-1 (b y c, de masa 0,85 y 1,38 M⊕, respectivamente). Julien De Wit et al. han estudiado los planetas más cercanos (b y c), cuando ambos dos conjuntamente produjeron un tránsito. Parece que se puede descartar una atmósfera rica en hidrógeno.

Así estamos, a la espera del telescopio espacial James Webb, el año que viene. No obstante, el viejo Hubble puede dar todavía alguna sorpresa.

A falta de atmósferas se han detectado exosferas en algunos planetas. Fue Ehrenreich el que detectó que GJ 436 b está rodeado de una suerte de nube de hidrógeno, que le confiere una forma cometaria. Si viéramos GJ 436 b nos parecería un cometa del tamaño de Neptuno. Ehrenreich también lo intentó con la supertierra 55 Cancri e y Bourrier con HD 97658 b, sin éxito.

La espectacular exosfera de GJ 436 b podría ser así. (Fuente: Mark Garlick. Univ. Warwick)

Las capas altas de la atmósfera de los planetas cercanos a sus estrellas se calientan, se expanden y pueden terminar escapando del planeta. Cuando esto ocurre, y el gas que escapa es hidrógeno, un poco antes y después del tránsito se puede observar la absorción en la línea Lyman-α, la línea del hidrógeno. De todos los planetas que están evaporándose GJ 436 b es el más pequeño, mostrando una absorción en la línea Lyman-α que llega al 60% de la profundidad.,

Bourrier y Ehrenreich (Observatorio de la Universidad de Ginebra) emplearon en septiembre de 2016 el telescopio espacial Hubble para observar TRAPPIST-1 b y c en la línea del hidrógeno, dedicando una órbita a cada uno de los planetas.

Y no es nada sencillo. La Lyman-α se contamina fácilmente por el medio interestelar que la absorbe (la técnica no se puede aplicar en estrellas lejanas) entre otros muchos aspectos. A esto hay que añadir que TRAPPIST-1 es una enana roja ultrafría, y su emisión en la Lyman-α es muy tenue.

Pues bien, a pesar de todo, parece que algo ha podido detectarse. Absorciones del 40% de la profundidad del tránsito para cada uno de los planetas. Es verdad que quizá la emisión puede confundirnos si la estrella es variable y activa produciendo algo que parece una exosfera cuando no lo es. La detección no es segura ni concluyente, se necesitan más datos para confirmar los resultados. Adicionalmente, en el caso de la absorción de TRAPPIST-1 c se produjo 2 horas después del tránsito, es decir, su posible exosfera puede tener la forma de una cola de cometa.

Una representación artística de TRAPPIST-1. (Fuente: ESO. Crédito: M. bartmann)


Podría sorprender esta hipotética exosfera de hidrógeno rodeando a los planetas terrestres más internos de TRAPPIST-1. No parece que tengan una atmósfera rica en hidrógeno, como ya han mostrado los estudios iniciales de espectroscopía. Su densidad (sin ser muy fiable), con 0,66 y 1,17 veces la de la Tierra para b y c, respectivamente, parece claramente terrestre. Decididamente, TRAPPIST-1 b y c no son minineptunos.

La explicación es que pueden contener atmósferas ricas en sustancias volátiles, calentadas por la intensa radiación XUV de la estrella y por efecto de marea. Probablemente el agua de la atmósfera está tan caliente que pasa a un estado “supercrítico” en el que no hay diferencia entre el vapor y agua líquida.

Esta atmósfera dominada por el agua puede producir hidrógeno y oxígeno en su atmósfera por la fotodisociación de las moléculas. El hidrógeno, más ligero, escapa del planeta, dando lugar a la exosfera; el oxígeno, más pesado, puede permanecer en la atmósfera, pero es totalmente abiótico.

Si se confirman las exosferas son un hallazgo muy importante. Quiere decir que los planetas de TRAPPIST-1 son ricos en volátiles, incluyendo agua. Es decir, probablemente son planetas formados en la zona externa del sistema y migrados al interior, en su ubicación actual. Mi intuición inicial era que se habían formado “in situ” pero, si se confirman las exosferas, deberían ser migrados. Si es así, todos los planetas serían ricos en agua, incluyendo los ubicados en la Zona Habitable.

Para hacernos una idea, pensemos en un cuerpo lejano del Sistema Solar, un super- Ganímedes, de masa comparable a la Tierra, rocoso pero con una buena corteza de hielo. Si este planeta migrase en la Zona Habitable (TRAPPIST-1 e, f y g) desarrollaría mares en la superficie y una atmósfera de vapor de agua (sería un Mundo Océano). Si migrase a zonas mucho más cálidas (TRAPPIST-1 b y c) sería un infierno húmedo (quizá con oxígeno no biológico) que podría mantener unas estupendas exosferas de hidrógeno, como las que parecen haberse detectado.


Apasionante.

(Fuente: ESO. Crédito: M. bartmann)




2012. Ehrenreich sobre la posibilidad de exosferas en 55 Cancri e.

2013. Ehrenreich detecta la exosfera en torno a GJ 436 b.

2014. Laura Kreidberg detecta el habitual espectro plano en GJ 1214 b, a pesar de la utilización intensiva del telescopio espacial Hubble.

2014. Heather A. Knutson detecta un espectro plano y sin detalles en GJ 436 b.

2014. Nuevamente Knutson se encuentra con un espectro plano en GJ 97658 b.

2015. Ehrenreich pone de manifiesto la estructura cometaria de la exosfera de GJ 436 b.

2015. Diana Dragomir muestra resultados concluyentes sobre el efecto Rayleigh en GJ 3470 b.

2015. Tsiaras anuncia su atmósfera de hidrógeno para 55 Cancri e.

2016. Brice Olivier Demory propone una visión rocosa de 55 Cancri e, con una cara mucho más caliente que la otra.

2016. Julien de Wit estudia el espectro tomado por el Hubble de TRAPPIST-1 b y c.

2016. Bourrier no detecta ninguna exosfera para Hd 97658 b.

2016. Southworth anuncia la detección de una atmósfera de hidrógeno en GJ 1132 b.

2017. Diamond-Lowe no puede confirmar el hallazgo en GJ 1132 b.

2017. Bourrier et al. encuentran indicios de posibles exosferas en TRAPPIST-1 b y c.








2 comentarios:

  1. Gracias por mantenernos informados de lo último sobre el tema.
    (Y la nueva presentación del blog, con fondo claro y letras negras, me encanta)
    Saludos :)

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  2. Gracias a ti Albert por ayudarme a mejorar el blog.

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