La atmósfera del Minineptuno K2-18 b en la Zona Habitable. ¿Vapor de agua o metano?

El exoplaneta con tránsitos K2-18 b (descubierto en 2015 por el telescopio espacial Kepler en su fase K2) orbita una enana roja (M3, Radio = 0,411 radios solares) a una distancia de 0,143 UA. Estas características implican que K2-18 b recibe esencialmente una insolación similar a la que la Tierra recibe del Sol, es decir, está en la Zona Habitable de su estrella.

Con una masa M = 8,63 masas terrestres y un radio R = 2,61 radios terrestres, K2-18 b se considera una supertierra o un minineptuno. Eso arroja una densidad la mitad de la Tierra, propia de un planeta rico en volátiles, aunque este dato puede ser impreciso y debe ser interpretado con cautela.

Siguiendo los tránsitos de K2-18 b observados por Kepler / K2 en el visible, se observaron tránsitos planetarios con el Telescopio Espacial Spitzer en el infrarrojo (4,5 y 3,5 µm). También se observaron nueve tránsitos con el telescopio espacial Hubble (HST) para estudiar la atmósfera. 

Los datos observados por HST que cubren el rango 1,12-1,63 µm muestran claramente un aumento en la profundidad de tránsito a 1,4 µm, coincidente con una banda propia del vapor de agua (H2O). Usando un modelo de atmósfera dos equipos concluyeron una detección clara de vapor de agua. También determinaron que otros gases como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), amoniaco (NH3) o metano (CH4) no estaban presentes en cantidades medibles. Se  concluyó que la atmósfera está compuesta de hidrógeno y helio en la que había también vapor de agua.

Sin embargo, para un minineptuno se deberían esperar cantidades significativas de compuestos más allá del H2O, como el metano (CH4) o el amoniaco (NH3). En particular, el metano también presenta una banda de absorción de alrededor de 1,4 µm.

Nuevos estudios han descrito la composición de la atmósfera de K2-18 b utilizando el modelo de equilibrio radiativo Exo-REM, adaptado para exoplanetas gigantes. Además de H2 y He, el modelo Exo-REM incorpora 12 absorbentes gaseosos incluyendo H2O, CO, CO2, CH4, NH3 y H2S para mostrar cómo serían los tránsitos del HST en el caso de que estos compuestos estuvieran presentes (si no hubiera opacidad de las nubes).

Los espectros de transmisión se calcularon con el modelo y se compararon con los tránsitos observados del HST, junto con los de Kepler/K2 y Spitzer. Los parámetros de Exo-REM que mejor describen los datos observados arrojan una temperatura en la atmósfera alta en el rango de 240-300 K. 

Los espectros de absorción de tránsito calculados exhiben un marcado máximo alrededor de 1,4 μm, de acuerdo con los datos del HST. Sin embargo, este máximo se debería predominantemente a la absorción de CH4 más que al H2O como se concluyó en anteriores estudios iniciales. 

Actualmente hay acuerdo con el estudio inicial de detección de la atmósfera (Tsiaras et al.) en que el H2O puede proporcionar la absorción observada en 1,4 μm, pero se está en desacuerdo con la afirmación de que estos datos de HST proporcionan una evidencia inequívoca de su presencia. El CH4 es, con mucho, el absorbente dominante en esta longitud de onda, asumiendo una composición de tipo Neptuno.

Las observaciones de otros rangos espectrales, particularmente en el intervalo 1.6-3.7 μm, nos permitirían discriminar claramente entre la absorción de H2O y CH4, y también, en principio, determinar la proporción de su abundancia.Tales observaciones serían muy importantes para comprender la estructura interna de K2-18b y la posibilidad de un posible océano de agua líquida.

2019. Se anuncia la presencia de vapor de agua en el minineptuno K2-18 b.

https://arxiv.org/pdf/1909.05218.pdf

El estudio inicial sugería la presencia de vapor de agua.

2000. Se cuestiona el hallazgo de agua. Podría ser metano.

https://arxiv.org/pdf/2011.10424.pdf

Nuevos estudios explicarían los datos observados con la presencia de metano.

Charla sobre Exoplanetas

 Mañana sábado a las 22:00 h, no lo olvidéis, en LOS DADOS DE EINSTEIN.

Observando los exoplanetas más cercanos (III). VLT-VISIR, Tau Ceti, Epsilon Eridani y otras estrellas cercanas

La obtención de imágenes directas de exoplanetas habitables es uno de los objetivos clave de los grandes telescopios actuales y futuros. El campo de las imágenes de alto contraste (emplea óptica adaptativa extrema, coronagrafía y técnicas de posprocesamiento de última generación) ha permitido la obtención de imágenes de varios exoplanetas de masa de Júpiter jóvenes y calientes (hasta 30 M. de años). con telescopios de 8-10 metros.  Ejemplos de instrumentos actuales son SPHERE (VLT), GPI (Gemini) y SCExAO (Subaru), los cuales operan en el infrarrojo cercano.

En comparación con el infrarrojo cercano (1-2.5 µm), el infrarrojo medio (8-13 µm) nos señala el camino a seguir. Es más sensible a los planetas más fríos y permite sondear planetas menos masivos y alrededor de estrellas más viejas. Esto se debe a que el contraste del flujo entre el planeta y la estrella es más favorable en el infrarrojo medio, donde la emisión térmica del planeta alcanza su punto máximo en comparación con la estrella objetivo. Como desventaja del infrarrojo medio está una resolución espacial reducida debido al límite de difracción más grande (mayor longitud de onda) y a la intensidad del gran fondo del cielo para las observaciones terrestres (el ruido de fondo). Por lo tanto, el infrarrojo medio es el más adecuado para buscar exoplanetas alrededor de estrellas cercanas, más luminosas y con separaciones angulares más amplias.

En este estudio se muestran las observaciones de muy alta resolución en el infrarrojo medio desde el VLT-VISIR. Continúan después de observar Alfa Centauri (ya hice una entrada, os recuerdo la misteriosa señal C1) y llega el turno de Tau Ceti, Epsilon Eridani, Epsilon Indi y Sirio. No han detectado ningún exoplaneta a pesar de que se sospecha que tienen gigantes gaseosos. Hay potencial de mejora y se sigue trabajando en LBT.

2021. Aquí el paper

https://arxiv.org/pdf/2104.13032.pdf

Observando los exoplanetas más cercanos (II). VLT-VISIR y Alfa Centauri A

Uno de los sueños de la astronomía moderna es la búsqueda de mundos que sean potencialmente similares a la Tierra. Tales mundos nos ayudarían a comprender el contexto de nuestro propio planeta y ellos mismos se convertirían en objetivos de búsquedas de vida más allá del sistema solar. Los esfuerzos dedicados en esta misión han conseguido obtener imágenes de exoplanetas gigantes en órbitas muy amplias, permitiendo estudios de sus órbitas y atmósferas.

Pero encontrar y explorar planetas potencialmente similares a la Tierra en la Zona de habitabilidad es mucho más difícil. De cualquier forma, las capacidades de obtención de imágenes de exoplanetas están progresando hacia planetas de menor masa en las zonas habitables de estrellas cercanas. El sistema estelar más cercano, α Centauri, se encuentra entre los más adecuados para obtener imágenes de exoplanetas de zonas habitables. Los componentes primarios α Centauri A y B son similares en masa y temperatura al Sol, y sus zonas habitables están en separaciones de aproximadamente una Unidad Astronómica (UA). A la distancia del sistema de 1,3 parsecs, estas separaciones físicas corresponden a separaciones angulares de aproximadamente un segundo de arco, que se pueden resolver fácilmente con los telescopios existentes de 8 metros de apertura. 

Sin embargo, actualmente no se conocen planetas que orbiten en estas estrellas Ay B. Las mediciones de las tendencias de la velocidad radial (RV) excluyen planetas más masivos que Msini ≥ 53 masas terrestres (M⊕) en la zona habitable de α Centauri A, y ≥ 8,4 M⊕ para α Centauri B. Podría haber planetas presentes de masas algo menores que fueran dinámicamente estables (a pesar de que A y B están relativamente cercanas). El tercer componente del sistema, Próxima Centauri, como sabemos, alberga al menos dos planetas más masivos que la Tierra (Proxb y Prox c) que fueron descubiertos a través de las variaciones del RV de la estrella. 

Los estudios de imágenes de exoplanetas convencionales (ver LTV-SPHERE) han operado en el infrarrojo cercano, a longitudes de onda inferiores a 5 µm, en las que el ruido de fondo es relativamente bajo (es decir, la sensibilidad está dominada por la luz de las estrellas), pero en las que los planetas templados son débiles, ya que emiten sobre todo en el infrarrojo medio (10–20 µm). 

Los exoplanetas que se han fotografiado hasta ahora son planetas muy grandes (super-jovianos) en órbitas amplias (más de 10 UA), jóvenes, que están aún formándose (con temperaturas de más de 1.000 K). Sus altas temperaturas son un remanente de la formación, aún no finalizada, y reflejan su juventud (1–100 millones de años, en comparación con las edades de Miles de millones de años de las estrellas típicas). 

La obtención de imágenes de planetas potencialmente habitables requerirá obtener imágenes de exoplanetas más fríos en órbitas más cortas alrededor de estrellas maduras. Esto conduce a una oportunidad en el infrarrojo medio (unos 10 µm), en el que los planetas templados son más brillantes. Sin embargo, las imágenes de infrarrojo medio presentan desafíos importantes. Estos están relacionados principalmente con el fondo térmico mucho más alto (exagerando, es como hacer astronomía normal en el visible durante el día), que satura incluso exposiciones inferiores a un segundo, y también con la resolución espacial unas 2–5 veces mayor debido el límite de difracción aumenta con la longitud de onda. A pesar de las dificultades, los telescopios actuales de última generación que operan en el infrarrojo medio pueden resolver las zonas habitables de aproximadamente una docena de estrellas cercanas, pero queda por demostrar si se puede lograr la sensibilidad para detectar planetas de baja masa...

En 2021 se han presentado los resultados del experimento NEAR (New Earths in the Alpha centauri Region), como parte del proyecto Breakthrough Watch. NEAR tiene como objetivo demostrar tecnologías y técnicas experimentales para facilitar la obtención de imágenes directas de exoplanetas de baja masa en su zonas habitables. Específicamente, NEAR tiene como objetivo demostrar que se pueden obtener imágenes de exoplanetas de baja masa en un tiempo de observación práctico, aunque sin precedentes (nada menos que 100 horas) mediante la realización de una búsqueda de imágenes directas de exoplanetas de zonas habitables dentro del sistema estelar más cercano, α Centauri. 

Eliminar el ruido en estas observaciones es una continua preocupación. Para ello, entre otros tratamientos se toma solo el 75-80% de las imágenes de mejor calidad obtenidas durante 100 horas de observaciones acumuladas; se demuestra sensibilidad para detectar planetas cálidos del tamaño de un subneptuno en gran parte de la zona habitable de α Centauri A. Esto es un orden de magnitud más sensible que las observaciones convencionales en el infrarrojo cercano. Se observa, además, una posible detección de un exoplaneta o un disco exozodiacal alrededor de α Centauri A. Sin embargo, no se puede descartar un artefacto instrumental de origen desconocido, es decir, ruido. 

2021. El artículo de Wagner,

https://arxiv.org/abs/2102.05159

Observando los exoplanetas más cercanos (I). VLT-SPHERE y Próxima Centauri.

Proxima Centauri es la estrella más cercana al Sol y su sistema planetario es uno de los menos difíciles de estudiar. 

En 2016 se descubrió Próxima b un planeta potencialmente habitable similar a la Tierra, confirmado un año después. Este planeta está demasiado cerca de su estrella para poder ser estudiado con técnicas de observación directa; aunque en el futuro cercano, la combinación de espectroscopia de alta resolución e imágenes de alto contraste podría permitir detectar su señal y, en última instancia, estudiar la composición de su atmósfera.

Años después se encontró evidencia de un segundo planeta (Proxima c) con una masa mínima de 5,8 M⊕ en una órbita más o menos circular con un período de 1900 días y semieje mayor  de 1,48 UA, mucho más alejado de la estrella que Próxima b. Dada su gran separación aparente de la estrella, la detección directa de Próxima c podría ser quizás factible, aunque muy difícil debido al gran contraste necesario. 

Imagen en la que aparece un puntito en abril 2018 (Gratton et al. 2020). 

En 2018, utilizando VLT-SPHERE, instrumento de óptica activa en el infrarrojo cercano se detectó una señal donde teóricamente debería estar Próxima c. Si bien no se puede proporcionar una detección firme de Próxima c, es un posible candidato que tiene una probabilidad (en principio) baja de ser una falsa alarma.  

Si el planeta es real y no una manifestación de ruido, el objeto detectado es claramente demasiado brillante para ser solo el planeta Proxima c. Para explicar el exceso de brillo podía haber un enorme anillo circumplanetario que refleje la luz de la estrella u otro mecanismo similar.

Cinco imagenes tomadas durante un periodo de dos meses de 2018. En algunas, no todas, aparece la señal. (Gratton et al., 2020)

Este estudio se realizó en 2018. A finales 2020 Próxima c ha vuelto a estar en la situación óptima para ser observado y confirmado si la señal es real. Sin embargo, no sabemos de ninguna publicación en este sentido. 

Quizá debamos tener un poco más de paciencia. Crucemos los dedos...

2020. El paper con el posible hallazgo.

https://arxiv.org/pdf/2004.06685.pdf