IGRINS de Gemini Sur detecta firmas sorprendentes en la atmósfera dinámica del exoplaneta WASP-121b

Casi un tercio de los exoplanetas conocidos son enormes planetas gigantes gaseosos, similares a Júpiter o Saturno. Si bien nuestro Sistema Solar se desarrolló con gigantes gaseosos alejados del Sol, otros sistemas planetarios están formados por exoplanetas conocidos como “Júpiter calientes” o incluso “ultracalientes”, que orbitan muy cerca de su estrella, algunos tan cerca como Mercurio de nuestro Sol. Estos gigantes calientes e hinchados soportan temperaturas extremas, por lo que reciben el apodo de “malvaviscos tostados”.

¿Sabías que… los Júpiter ultracalientes están expuestos a intensas cantidades de radiación, lo que significa que sus temperaturas de equilibrio pueden oscilar entre unos 2.000 y más de 4.000 grados Celsius?

Como miembro del programa “Roasting Marshmallows” (en español: tostando malvaviscos, ¡qué nombre más acertado!), Peter Smith, Investigador Asociado de la Escuela de Exploración Terrestre y Espacial de la Universidad Estatal de Arizona, está estudiando la química atmosférica de los Júpiter calientes y ultracalientes para obtener información sobre los discos protoplanetarios en los que se formaron.

El programa utiliza el espectrógrafo Immersion GRating INfrared Spectrograph (IGRINS), un instrumento visitante en el telescopio Gemini Sur en Chile, una mitad del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) y operado por NOIRLab de NSF. Y gracias a este instrumento, el equipo recientemente observó el gigante gaseoso conocido como WASP-121b y descubrieron algo inesperado sobre la historia de su formación. Los resultados de esta investigación fueron presentados en un artículo científico publicado en la revista The Astronomical Journal.

El telescopio Gemini Sur, que tuvo al instrumento visitante IGRINS desde 2017 a 2024, proyecta su estrella guía láser durante una noche de observaciones en Cerro Pachón, en los Andes chilenos.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Paredes

Un sistema planetario se forma a partir de lo que se denomina como disco protoplanetario, un disco giratorio que contiene una mezcla de materiales rocosos y helados. Los materiales rocosos, como el hierro, el magnesio y el silicio, se solidifican con facilidad y requieren niveles extremos de calor para vaporizarse y convertirse en gas, mientras que los materiales helados, como el agua, el metano, el amoníaco y el monóxido de carbono, se vaporizan con facilidad y requieren temperaturas muy bajas para condensarse.

Con estas observaciones, Smith y su equipo demostraron por primera vez que la proporción roca-hielo de un planeta en tránsito se pudo medir con un solo instrumento

Debido a sus diferentes umbrales de temperatura, los materiales rocosos y helados del disco se extienden en un gradiente que varía de sólido a gaseoso dependiendo de la distancia a la estrella. Gracias a ello, los astrónomos pueden buscar firmas de estos elementos en la composición de los planetas y sus atmósferas, calcular la proporción de material rocoso y helado y determinar a qué distancia de su estrella se formó el planeta.

Para medir esta proporción se suelen utilizar múltiples observaciones: una con un instrumento sensible a la luz visible para detectar los elementos rocosos sólidos y otra con uno sensible a la luz infrarroja para detectar los elementos gaseosos helados. Sin embargo, como WASP-121b es un Júpiter ultracaliente con temperaturas extremas, ambos materiales se vaporizan en la atmósfera y son detectables con la alta resolución espectral de IGRINS.

Esta ilustración muestra cómo los materiales rocosos y helados se dispersan en un gradiente dentro del disco protoplanetario de una estrella debido a sus diferentes umbrales de temperatura.

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Con estas observaciones, Smith y su equipo demostraron por primera vez que la proporción roca-hielo de un planeta en tránsito se pudo medir con un solo instrumento. Esta capacidad única que proporciona IGRINS elimina los errores potenciales causados por los diferentes instrumentos y señala un camino optimista para el análisis químico de los exoplanetas. “Los datos obtenidos en tierra por IGRINS en Gemini Sur permitieron realizar mediciones más precisas de las abundancias químicas individuales que las que podrían haber logrado incluso los telescopios espaciales”, afirma Smith.

Nuestras mediciones sugieren que tal vez se debe replantear esta visión clásica y revisar nuestros modelos de formación planetaria

Los datos espectroscópicos muestran que WASP-121b tiene una elevada proporción roca-hielo, lo que indica que acumuló un exceso de material rocoso durante su formación. Esto sugiere que el planeta se formó en una región del disco protoplanetario demasiado caliente que causó la condensación de los hielos, lo que constituye un descubrimiento sorprendente, ya que normalmente se cree que los gigantes gaseosos necesitan hielos sólidos para formarse. “Nuestras mediciones sugieren que tal vez se debe replantear esta visión clásica y revisar nuestros modelos de formación planetaria”, menciona Smith.

La cara diurna del planeta es tan caliente que los elementos que se consideran típicamente como ‘metálicos’ se vaporizan en la atmósfera, haciéndolos detectables mediante espectroscopía

Smith y su equipo también hallaron características extraordinarias en la atmósfera de WASP-121b. “El clima de este planeta es extremo y nada parecido al de la Tierra”, afirma. La cara diurna del planeta es tan caliente que los elementos que se consideran típicamente como “metálicos” se vaporizan en la atmósfera, haciéndolos detectables mediante espectroscopía. Los fuertes vientos transportan estos metales a la cara nocturna permanente del planeta, que es lo bastante fría como para que se condensen y caigan en lluvia, un efecto que se observó en WASP-121b en forma de lluvia de calcio.

“La sensibilidad de nuestros instrumentos está avanzando hasta el punto de que podemos utilizar estos elementos para estudiar diferentes regiones, altitudes y longitudes para ver sutilezas como la velocidad del viento, revelando lo dinámico que es este planeta”, afirma Smith.

El equipo del Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI por sus siglas en inglés) y el equipo del Observatorio Internacional Gemini se reúnen en Maunakea para presenciar la primera luz de IGRINS-2. Ambos equipos cooperaron en la construcción del instrumento durante tres años. La pequeña caja dorada detrás del equipo es IGRINS-2.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/C. Park

IGRINS era un instrumento visitante en Gemini Sur cuando Smith observó a WASP-121b durante 2022 y 2023. Desde entonces, se retiró del telescopio para regresar a su institución de origen, pero el instrumento tuvo tanto éxito que se encargó una nueva iteración del mismo, llamado IGRINS-2, para el telescopio Gemini Norte en Hawai‘i. Este instrumento actualmente se encuentra en fase de calibración científica.

Smith menciona a IGRINS como un factor importante en las mediciones detalladas de la atmósfera de WASP-121b realizadas por su equipo, y espera con IGRINS-2 ampliar estas investigaciones a otros sistemas exoplanetarios. La creación de una muestra más amplia de atmósferas de Júpiter calientes y ultracalientes permitirá a los científicos perfeccionar sus conocimientos sobre cómo se forman los planetas gigantes.