sábado, 9 de septiembre de 2017

El agua de los planetas de TRAPPIST-1.

A pesar de todos los esfuerzos realizados por los científicos, el conocimiento de las atmósferas en los planetas extrasolares terrestres es limitado. Todo el trabajo teórico realizado hasta la fecha se apoya únicamente en las observaciones de las atmósferas de los planetas y lunas del Sistema Solar. Más allá de ahí no hay observaciones fiables que nos permitan empezar a conocer este excitante aspecto de los exoplanetas.

Pero esto va a cambiar, y pronto.

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

Por suerte, tenemos al sistema planetario de TRAPPIST-1. Sus planetas nos permitirán en unos meses (ya queda poco para el JWST) empezar a conocer y observar las primeras atmósferas. Este sistema planetario podría ser para los exoplanetas lo que la Piedra de Rosetta fue para la egiptología.

Si ahora conocemos apenas las atmósferas de la Tierra, Venus, Marte y Titán, en unos pocos años conoceremos decenas y decenas de atmósferas de planetas terrestres. Estemos todos atentos, porque puede ser toda una revolución.

Y puede haber sorpresas.

Representación artística de los planetas de TRAPPIST-1. (Fuente: NASA-JPL)

Gracias a los tránsitos que producen los planetas de TRAPPIST-1 al pasar exactamente entre la estrella y la Tierra, y sus excepcionales condiciones de observación, se hace posible la aplicación de técnicas de espectroscopía de transmisión para estudiar sus atmósferas. Estos tránsitos es conveniente observarlos en todas las longitudes de onda posibles (no solo en el Infrarrojo y el visible, también en el ultravioleta), para poder tener una visión lo más global posible sobre los procesos que están teniendo lugar

Como sabemos, el año pasado fueron estudiadas en el infrarrojo (HST) conjuntamente las atmósferas de TRAPPIST-1 b y c al pasar a la vez ambos planetas por delante de la estrella, y producir un tránsito conjunto. La conclusión fue que no parecía probable que hubiera ninguna atmósfera extensa compuesta de hidrógeno, al estilo de las que tienen los gigantes gaseosos. Os dejo el enlace con los comentarios que hicimos entonces:


Aunque esta atmósfera de hidrógeno pueda descartarse (con prudencia, porque estos estudios son muy difíciles de realizar) hay otras que podrían ser posibles, como las ricas en vapor de agua o diversos tipos de atmósferas cubiertas por nubes y aerosoles.

Mientras esperamos la primera luz del JWST, el HST es por ahora una de las mejores herramientas disponibles para estudiar estos planetas, y puede analizar estos planetas en el ultravioleta, más concretamente en la línea Lyman-α. Los gases escapados de los exoplanetas pueden formar exosferas de hidrógeno con enormes extensiones y, de esta manera, estar al alcance de un telescopio algo limitado como el HST.

Las exosferas de hidrógeno han sido detectadas en planetas del tamaño de Júpiter y otros más pequeños, minineptunos. Como son más extensas, y sus tránsitos tienen una duración más prolongada que las de las atmósferas propiamente dichas, normalmente son (en teoría) más fáciles de detectar.

El caso más famoso es el de GJ 436 b, que está rodeado por una enorme exosfera de hidrógeno neutro, que le confiere un aspecto cometario. Este planeta es un pequeño minineptuno rico en hidrógeno que está demasiado cerca de su estrella, no puede retener la atmósfera, y la va perdiendo poco a poco.

Los antecedentes.

Los tránsitos de los planetas más interiores de TRAPPIST-1 ya han sido estudiados  durante Septiembre y Noviembre de 2016 en el ultravioleta, en la línea Lyman-α. Claro, no es fácil estudiar esta línea en una estrella tan fría como TRAPPIST-1 (M8). A pesar de ello, fueron identificados indicios en TRAPPIST-1 b y c lo que podrían ser tránsitos propios de exosferas. Eran meros indicios, que también podían ser un efecto producido por la propia estrella. Adicionalmente, en el caso de la absorción de TRAPPIST-1 c se produjo 2 horas después del tránsito, es decir, su posible exosfera podía tener la forma de una cola de cometa. Os dejo el enlace con los comentarios que hicimos entonces:


Como ya comentamos en marzo, la explicación de las exosferas viene por el hecho de que estos planetas pueden contener atmósferas ricas en sustancias volátiles, posiblemente el agua. 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 serían un hallazgo muy importante. Querría decir que los planetas de TRAPPIST-1 son ricos en agua.

(Fuente: ESO. Crédito: M. Bartmann)


Un nuevo intento con el ultravioleta.

Con la intención de confirmar los indicios, nuevamente Bourrier et al. han vuelto a observar durante 5 órbitas del HST los tránsitos de TRAPPIST-1 c  (el planeta que durante el estudio anterior pareció el más prometedor). Nuevamente, el resultado de las observaciones realizadas en Diciembre 2016 no es concluyente. La línea Lyman-α ha cambiado, se ha vuelto más intensa, quizá debido a que la cromosfera de la estrella ha aumentado algo su temperatura.

Lo que ahora se ha detectado es una asimetría en la línea Lyman-α. Esta asimetría no parece relacionada con el tránsito de TRAPPIST-1 c. Parece más bien asociada a todo el sistema planetario. Quizá haya una pequeña absorción en la zona más azul de la línea.

Bourrier explica que la absorción podría ser debida a una nube de gas formada por el escape del hidrógeno conjuntamente de algunos de los 7 planetas y, de alguna manera, acelerada al interaccionar con el viento estelar.

Son nuevos indicios de que algo ocurre, pero tengamos en cuenta que la señal es muy débil, tiene además un importante componente de contaminación por la luz emitida en la alta atmósfera terrestre. También podríamos estar viendo distorsiones y variabilidad de la emisión en esta línea de la estrella TRAPPIST-1.

Hay que seguir estudiando más tránsitos. Es mala señal que los indicios con los datos de Diciembre no sean del todo coherentes con los que aparecieron con los datos de Septiembre y Noviembre.

En fin, ya veremos.


Las cinco órbitas del HST mostrando las débiles líneas capturadas. Las zonas sombreadas están afectadas por contaminación de la atmósfera terrestre. La hipotética absorción estaría a la izquierda (Fuente: Bourrier, 2017)

Estimaciones de la pérdida de agua de los planetas.

Otro de los objetivos del artículo es revisar los cálculos de estimaciones del agua que podrían haber perdido estos planetas de TRAPPIST-1 a lo largo de su historia. Se utilizan para ello las masas proporcionadas por Gillon (por desgracia, ojalá hubieran utilizado las de Wang et al.) y estimaciones del flujo XUV.

Los resultados impresionan, y es que cada uno de los planetas de TRAPPIST-1 (especialmente b, c y d) podrían haber perdido algo así como 20 océanos terrestres durante los 8.000 millones de años de vida del sistema planetario.

Sin embargo, como sabemos, las estrellas como TRAPPIST-1 suelen tener una juventud durante la cual su luminosidad va reduciéndose. Como consecuencia, la ZH de los sistemas planetarios con estrellas frías, a medida que la estrella evoluciona, va acercándose a la estrella. Esto quiere decir que durante el periodo de intensa luminosidad de la estrella, los planetas TRAPPIST-1 h, g, f y e, debieron tener una atmósfera descontrolada dominada por el agua, en la que el escape debió ser muy intenso. Hoy, en cambio, una cantidad importante del agua del planeta podría estar secuestrada en forma de hielo o un mar de agua, y el escape sería mucho más reducido. Si aceptamos este efecto, estos 4 planetas deberían haber perdido menos de 3 océanos terrestres, una cantidad que para un Mundo Océano es más bien reducida.

En fin os dejo la estimación de las densidades que realizó Wang en principio compatibles con el planteamiento descrito. Para más detalles, ver:

http://exoplanetashabitables.blogspot.com.es/2017/04/las-masas-de-los-planetas-de-trappist-1.html


Las densidades (azul) de Wang frente a las densidades de Gillon (Fuente: Wang, 2017)

Y ahora no me digáis que esto no es emocionante.



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

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

2017. Nueva entrega de Bourrier et al. sobre la posible exosfera en TRAPPIST-1 c.
Además, se aportan estimaciones de volumen de agua perdido en los planetas. https://arxiv.org/abs/1708.09484




















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