Desde Chile, GHOST espía un Júpiter ultracaliente con vientos de increíble velocidad

Emily Deibert también es autora de libros infantiles? Recientemente publicó su primera obra, una novela para niños de entre 8 y 12 años titulada Bea Mullins Takes a Shot.

En la búsqueda de exoplanetas, muchos tienen como objetivo los mundos habitables. Es reconfortante descubrir planetas que nos recuerdan a nuestro hogar, aquellos que se encuentran a una distancia perfecta de su estrella, con océanos de agua que cubren su superficie y atmósferas respirables. Sin embargo, algunos astrofísicos sienten curiosidad por un tipo de exoplaneta completamente diferente: los traicioneros Júpiter calientes. Una de estas científicas es Emily Deibert, científica fellow en Gemini Sur en Chile, la mitad austral del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y que opera NOIRLab de NSF.

Un Júpiter ultracaliente, llamado HAT-P-70 b, fue el centro de un estudio reciente realizado en Gemini Sur, dirigido por Adam Langeveld, investigador científico adjunto de la Universidad Johns Hopkins, junto a un equipo de astrónomos que incluía a Deibert. Los resultados de este estudio se presentaron en un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters.

La investigación del equipo utilizó un nuevo instrumento instalado en el telescopio Gemini Sur, llamado Espectrógrafo Óptico de Alta Resolución de Gemini (GHOST por sus siglas en inglés). GHOST es un potente instrumento que tiene la capacidad de observar una amplia gama de longitudes de onda a la vez. También puede completar observaciones con gran eficiencia, alcanzando una resolución de primer nivel. Estas capacidades permitieron al equipo observar en detalle la atmósfera de HAT-P-70 b, donde descubrieron vientos que soplan a velocidades increíbles.

Emily Deibert delante de GHOST en el Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y que opera NOIRLab de NSF.

Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/V. Chan

Los Júpiter calientes son gigantes gaseosos similares a nuestro Júpiter en tamaño, pero muy diferentes en temperamento. Se encuentran mucho más cerca de sus estrellas anfitrionas que nuestro vecino planetario, lo que les confiere propiedades físicas notablemente diferentes. Para comparar sus distancias, nuestro Júpiter tarda casi 12 años en orbitar alrededor del Sol, mientras que los Júpiter calientes tardan 10 días o menos. Algunos incluso se han observado girando alrededor de sus soles en menos de un día.

Orbitar a esa distancia tan corta hace que estos planetas tengan temperaturas superficiales increíblemente altas, de ahí su nombre. A menudo están acoplados por marea (rotación sincrónica), lo que significa que tienen un lado siempre orientado hacia su estrella, que experimenta un “día” extremadamente caluroso, y otro lado que está constantemente alejado de su estrella, que experimenta una “noche” más fría.

Las temperaturas extremas otorgan a este Júpiter caliente una atmósfera exótica con una gran variedad de átomos metálicos gaseosos e iones.

HAT-P-70 b es un planeta muy “hinchado”, con un radio casi el doble que el de Júpiter. Se encuentra tan cerca de su estrella anfitriona que su órbita es de 2,7 días terrestres y tiene una temperatura de unos 2.300 °C (alrededor de 4.200 °F), lo que lo convierte en uno de los planetas más calientes conocidos hasta la fecha. Las temperaturas extremas otorgan a este Júpiter ultracaliente una atmósfera exótica con una gran variedad de átomos metálicos gaseosos e iones.

“Estas atmósferas ultracalientes son laboratorios ideales para estudiar exoplanetas a mayor escala, ya que ofrecen una oportunidad fantástica para detectar y estudiar múltiples especies químicas”, explica Langeveld. “Medir las cantidades de diferentes elementos, especialmente al comparar elementos ‘rocosos’ —como el calcio y el hierro— con elementos ‘helados’ —como el agua y el carbono—, nos permite aprender sobre su formación y evolución”.

Para estudiar la atmósfera de HAT-P-70 b, el equipo observó el tránsito del planeta, es decir, su paso por delante de su estrella anfitriona. A medida que la luz de la estrella atraviesa la atmósfera del planeta, las sustancias químicas de la atmósfera actúan como un filtro que absorbe longitudes de onda específicas de la luz. Mediante la espectroscopía, un método de observación en el que la luz de un objeto se dispersa en un espectro, el equipo puede determinar qué sustancias químicas existen en la atmósfera identificando los patrones de líneas de absorción que aparecen en el espectro, similar a las huellas dactilares.

Espectros de prueba vistos a través de la cámara roja en el banco óptico de GHOST mientras John Pazder (Comisión Reguladora Nuclear) realiza la alineación final de la óptica del espectrógrafo.

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. Bassett

En la atmósfera de HAT-P-70 b, el equipo detectó indicios de calcio ionizado, una forma gaseosa y altamente energética de calcio que sólo puede existir en entornos con un calor increíblemente intenso. Descubrieron que la señal de calcio se extiende decenas de miles de kilómetros hacia la atmósfera superior. Pero lo más importante es que la increíble sensibilidad de GHOST les permitió “resolver temporalmente” la señal de calcio. Esto significa que pudieron rastrear cómo cambia la absorción del calcio entre el lado diurno y el nocturno del planeta.

Deibert comparte su experiencia investigando la atmósfera de HAT-P-70 b: “Nos sorprendió la excepcional sensibilidad de GHOST, que nos permitió medir variaciones mínimas en las líneas de absorción individuales del calcio ionizado, lo que nos proporcionó información sobre diferentes regiones de la atmósfera. Este nivel de detalle ha sido difícil de alcanzar en los estudios de exoplanetas, especialmente para las líneas de absorción individuales en los espectros de transmisión”.

A partir de estas observaciones, el equipo determinó que HAT-P-70 b alberga fuertes vientos que se precipitan desde el lado diurno abrasador hacia el lado nocturno más frío a velocidades de hasta 18.000 kilómetros por hora (11.000 millas por hora). También utilizaron las señales detectadas para inferir la masa del planeta, revelando que es probable que sea mucho más liviano de lo que se pensaba, un parámetro crucial para futuras comparaciones de atmósferas de Júpiter ultracalientes.

Este estudio demuestra que GHOST tiene el potencial de contribuir de manera significativa al avance de nuestra comprensión de la naturaleza tridimensional de las atmósferas de los exoplanetas, sobre la que aún quedan muchas preguntas sin respuesta.

“Este nivel de detalle sólo es posible con los espectrógrafos más avanzados… lo que convierte a GHOST en uno de los pocos instrumentos del mundo capaces de realizar este tipo de mediciones”, afirma Langeveld.

Deibert añade: “Este estudio demuestra que GHOST tiene el potencial de contribuir de forma significativa al avance de nuestra comprensión de la naturaleza tridimensional de las atmósferas de los exoplanetas, sobre la que aún quedan muchas preguntas sin respuesta”.

La capacidad que posee GHOST para resolver temporalmente seguirá ampliando los límites de los estudios sobre exoplanetas. De hecho, Gemini está cambiando las reglas del juego para astrónomos como Deibert y Langeveld, que buscan recopilar datos espectroscópicos, así como información óptica e infrarroja a través de sus Programas Grandes y Extensos. El trabajo de Langeveld y Deibert forma parte de un programa Grande aprobado que ambos co-dirige. Esto significa que ellos y sus colaboradores han conseguido tiempo de observación con Gemini para proyectos de investigación en estudios planetarios que abarcan varios años. Los programas Grandes de Gemini promoverán la colaboración y tendrán un impacto significativo en todas las áreas de la astrofísica, allanando el camino de este campo en estudios futuros.