El telescopio espacial Webb de la NASA para sondear el reino exterior de los sistemas exoplanetarios y buscar nuevos mundos

_{Izquierda: Esta es una imagen de la estrella HR 8799 tomada por la cámara de infrarrojos cercanos y el espectrómetro de múltiples objetos (NICMOS) del Hubble en 1998. Una máscara dentro de la cámara (coronógrafo) bloquea la mayor parte de la luz de la estrella. Los astrónomos también utilizaron software para restar digitalmente más luz estelar. Sin embargo, la luz dispersa de HR 8799 domina la imagen, oscureciendo cuatro planetas débiles descubiertos más tarde a partir de observaciones terrestres. Derecha: un nuevo análisis de los datos de NICMOS en 2011 descubrió tres de los exoplanetas, que no se vieron en las imágenes de 1998. Webb sondeará las atmósferas de los planetas en longitudes de onda infrarrojas que los astrónomos rara vez han utilizado para obtener imágenes de mundos distantes. Crédito: NASA, ESA y R. Soummer (STScI)}

Webb de la NASA estudiará exoplanetas jóvenes en el borde

Webb explorará el reino exterior de los sistemas exoplanetarios, investigando planetas conocidos y buscando nuevos mundos.

Aunque se han descubierto más de 4.000 planetas alrededor de otras estrellas, no representan la amplia diversidad de posibles mundos alienígenas. La mayoría de los exoplanetas detectados hasta ahora son los llamados «abrazadores de estrellas»: orbitan tan cerca de sus estrellas anfitrionas que completan una órbita en días o semanas. Estos son los más fáciles de encontrar con las técnicas de detección actuales.

Pero hay un vasto paisaje, en su mayoría inexplorado, para buscar exoplanetas en órbitas más distantes. Los astrónomos apenas han comenzado a explorar esta frontera. Los planetas están lo suficientemente lejos de sus estrellas que los telescopios equipados con máscaras para bloquear el resplandor cegador de una estrella pueden ver los planetas directamente.

Los planetas más fáciles de detectar son los mundos calientes recién formados. Son lo suficientemente jóvenes como para que aún brillen en luz infrarroja con el calor de su formación.

Este reino exterior de sistemas exoplanetarios es un terreno de caza ideal para el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA. Webb explorará las atmósferas de exoplanetas cercanos conocidos, como HR 8799 y 51 Eridani b, en longitudes de onda infrarrojas.

Webb también buscará otros mundos distantes, posiblemente hasta del tamaño de Saturno, en las afueras de sistemas planetarios que no se pueden detectar con telescopios terrestres.

_{Este esquema muestra las posiciones de los cuatro exoplanetas que orbitan lejos de la estrella cercana HR 8799. Las órbitas parecen alargadas debido a una ligera inclinación del plano de las órbitas con respecto a nuestra línea de visión. El tamaño del sistema planetario HR 8799 es comparable a nuestro sistema solar, como lo indica la órbita de Neptuno, mostrada a escala. Crédito: NASA, ESA y R. Soummer (STScI)}

Antes de que los planetas alrededor de otras estrellas fueran descubiertos por primera vez en la década de 1990, estos mundos exóticos lejanos vivían solo en la imaginación de los escritores de ciencia ficción.

Pero incluso sus mentes creativas no podrían haber concebido la variedad de mundos que los astrónomos han descubierto. Muchos de estos mundos, llamados exoplanetas , son muy diferentes de la familia de planetas de nuestro sistema solar.

Van desde los «Júpiter calientes» que abrazan las estrellas hasta los planetas rocosos de gran tamaño denominados «súper Tierras». Nuestro universo aparentemente es más extraño que la ficción.

Ver estos mundos distantes no es fácil porque se pierden en el resplandor de sus estrellas anfitrionas. Tratar de detectarlos es como esforzarse por ver una luciérnaga flotando junto a la brillante baliza de un faro.

Es por eso que los astrónomos han identificado la mayoría de los más de 4.000 exoplanetas encontrados hasta ahora utilizando técnicas indirectas, como a través del ligero bamboleo de una estrella o su atenuación inesperada cuando un planeta pasa frente a ella, bloqueando parte de la luz de las estrellas.

Sin embargo, estas técnicas funcionan mejor para los planetas que orbitan cerca de sus estrellas, donde los astrónomos pueden detectar cambios durante semanas o incluso días a medida que el planeta completa su órbita en la pista de carreras.

Pero encontrar solo planetas que rozan estrellas no les proporciona a los astrónomos una imagen completa de todos los mundos posibles en los sistemas estelares.

_{Esta imagen de descubrimiento de un planeta extrasolar del tamaño de Júpiter que orbita alrededor de la estrella cercana 51 Eridani fue tomada en luz infrarroja cercana en 2014 por Gemini Planet Imager. La brillante estrella central está oculta detrás de una máscara en el centro de la imagen para permitir la detección del exoplaneta, que es 1 millón de veces más débil que 51 Eridani. El exoplaneta está en las afueras del sistema planetario a 11 mil millones de millas de su estrella. Webb sondeará la atmósfera del planeta en longitudes de onda infrarrojas que los astrónomos rara vez han utilizado para obtener imágenes de mundos distantes. Crédito: Observatorio Internacional Géminis / NOIRLab / NSF / AURA, J. Rameau (Universidad de Montreal) y C. Marois (Consejo Nacional de Investigación de Canadá Herzberg)}

Otra técnica que los investigadores utilizan en la búsqueda de exoplanetas, que son planetas que orbitan alrededor de otras estrellas, es una que se enfoca en planetas que están más lejos del resplandor cegador de una estrella.

Los científicos, utilizando técnicas de imágenes especializadas que bloquean el resplandor de la estrella, han descubierto exoplanetas jóvenes que son tan calientes que brillan con luz infrarroja. De esta forma, algunos exoplanetas se pueden ver y estudiar directamente.

El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA ayudará a los astrónomos a explorar más esta nueva frontera audaz. Webb, como algunos telescopios terrestres, está equipado con sistemas ópticos especiales llamados coronógrafos, que utilizan máscaras diseñadas para bloquear la mayor cantidad de luz estelar posible para estudiar exoplanetas débiles y descubrir nuevos mundos.

Dos objetivos al principio de la misión de Webb son los sistemas planetarios 51 Eridani y HR 8799. De las pocas docenas de planetas captados directamente, los astrónomos planean utilizar Webb para analizar en detalle los sistemas que están más cerca de la Tierra y tienen planetas en las separaciones más amplias de su estrellas.

Esto significa que parecen lo suficientemente lejos del resplandor de una estrella para ser observados directamente. El sistema HR 8799 reside a 133 años luz y 51 Eridani a 96 años luz de la Tierra.

Objetivos planetarios de Webb

Dos programas de observación al principio de la misión de Webb combinan las capacidades espectroscópicas del espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y las imágenes de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) para estudiar los cuatro planetas gigantes en el sistema HR 8799. En un tercer programa, los investigadores utilizarán NIRCam para analizar el planeta gigante en 51 Eridani.

Los cuatro planetas gigantes del sistema HR 8799 tienen cada uno aproximadamente 10 masas de Júpiter. Orbitan a más de 14 mil millones de millas de una estrella que es un poco más masiva que el Sol. El planeta gigante en 51 Eridani tiene el doble de masa que Júpiter y orbita a unos 11 mil millones de millas de una estrella similar al Sol.

Ambos sistemas planetarios tienen órbitas orientadas cara a cara hacia la Tierra. Esta orientación brinda a los astrónomos una oportunidad única de obtener una vista de pájaro desde la parte superior de los sistemas, como mirar los anillos concéntricos en un objetivo de tiro con arco.

Muchos exoplanetas que se encuentran en las órbitas exteriores de sus estrellas son muy diferentes de los planetas de nuestro sistema solar. La mayoría de los exoplanetas descubiertos en esta región exterior, incluidos los de HR 8799, tienen entre 5 y 10 masas de Júpiter, lo que los convierte en los planetas más masivos jamás encontrados hasta la fecha.

Estos exoplanetas exteriores son relativamente jóvenes, de decenas de millones a cientos de millones de años, mucho más jóvenes que los 4.500 millones de años de nuestro sistema solar. Entonces todavía están brillando con el calor de su formación. Las imágenes de estos exoplanetas son esencialmente fotografías de bebés, que revelan planetas en su juventud.

_{Este video muestra cuatro exoplanetas del tamaño de Júpiter orbitando a miles de millones de millas de su estrella en el cercano sistema HR 8799. El sistema planetario está orientado de frente hacia la Tierra, lo que brinda a los astrónomos una vista panorámica única del movimiento de los planetas. Los exoplanetas orbitan tan lejos de su estrella que tardan de décadas a siglos en completar una órbita. El video consta de siete imágenes del sistema tomadas durante un período de siete años con el Observatorio WM Keck en Mauna Kea, Hawaii. El coronógrafo de Keck bloquea la mayor parte de la luz de las estrellas para que se puedan ver los exoplanetas mucho más débiles y pequeños. Crédito: Jason Wang (Caltech) y Christian Marois (NRC Herzberg) Webb sondeará el infrarrojo medio, un rango de longitud de onda que los astrónomos rara vez han usado antes para obtener imágenes de mundos distantes. Esta “ventana” infrarroja es difícil de observar desde el suelo debido a la emisión térmica y la absorción en la atmósfera terrestre.}

“El punto fuerte de Webb es la luz desinhibida que llega a través del espacio en el rango del infrarrojo medio”, dijo Klaus Hodapp de la Universidad de Hawai en Hilo, investigador principal de las observaciones NIRSpec del sistema HR 8799. “Es bastante difícil trabajar con la atmósfera de la Tierra. Las principales moléculas de absorción en nuestra propia atmósfera nos impiden ver características interesantes en los planetas ”.

El infrarrojo medio “es la región donde Webb realmente hará contribuciones fundamentales para comprender cuáles son las moléculas particulares, cuáles son las propiedades de la atmósfera que esperamos encontrar y que no obtenemos realmente del infrarrojo cercano más corto”, dijo Charles Beichman del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, investigador principal de las observaciones NIRCam y MIRI del sistema HR 8799. «Nos basaremos en lo que han hecho los observatorios terrestres, pero el objetivo es ampliar eso de una manera que sería imposible sin Webb».

¿Cómo se forman los planetas?

Uno de los principales objetivos de los investigadores en ambos sistemas es utilizar Webb para ayudar a determinar cómo se formaron los exoplanetas.

¿Fueron creados a través de una acumulación de material en el disco que rodea a la estrella, enriquecido en elementos pesados como el carbono, tal como probablemente lo hizo Júpiter? ¿O se formaron a partir del colapso de una nube de hidrógeno, como una estrella, y se hicieron más pequeños bajo la implacable atracción de la gravedad?

La composición atmosférica puede proporcionar pistas sobre el nacimiento de un planeta. «Una de las cosas que nos gustaría entender es la proporción de los elementos que han entrado en la formación de estos planetas», dijo Beichman.

“En particular, el carbono frente al oxígeno te dice bastante sobre de dónde proviene el gas que formó el planeta. ¿Provino de un disco que acumuló muchos de los elementos más pesados o vino del medio interestelar? Así que es lo que llamamos la relación carbono-oxígeno lo que es bastante indicativo de los mecanismos de formación «.

_{Este video muestra un exoplaneta del tamaño de Júpiter orbitando muy lejos, aproximadamente a 11 mil millones de millas, de una estrella cercana, similar al Sol, 51 Eridani. El sistema planetario está orientado de frente hacia la Tierra, lo que brinda a los astrónomos una vista panorámica única del movimiento del planeta. El video consta de cinco imágenes tomadas durante cuatro años con el Gemini Planet Imager del Telescopio Gemini Sur, en Chile. El coronógrafo de Géminis bloquea la mayor parte de la luz de las estrellas para que se pueda ver el exoplaneta mucho más débil y pequeño. Crédito: Jason Wang (Caltech) / Encuesta de exoplanetas Gemini Planet Imager Para responder a estas preguntas, los investigadores utilizarán Webb para explorar más profundamente las atmósferas de los exoplanetas. NIRCam, por ejemplo, medirá las huellas atmosféricas de elementos como el metano. También observará las características de las nubes y las temperaturas de estos planetas. «Ya tenemos mucha información en estas longitudes de onda del infrarrojo cercano de instalaciones terrestres», dijo Marshall Perrin del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, investigador principal de las observaciones NIRCam de 51 Eridani b. “Pero los datos de Webb serán mucho más precisos, mucho más sensibles. Tendremos un conjunto más completo de longitudes de onda, incluido el llenado de espacios donde no se pueden obtener esas longitudes de onda desde el suelo «.}

Los astrónomos también utilizarán Webb y su excelente sensibilidad para buscar planetas menos masivos lejos de su estrella. «A partir de observaciones terrestres, sabemos que estos planetas masivos son relativamente raros», dijo Perrin. “Pero también sabemos que para las partes internas de los sistemas, los planetas de menor masa son dramáticamente más comunes que los planetas de mayor masa.

Entonces, la pregunta es, ¿también es cierto para estas nuevas separaciones? » Beichman agregó: «La operación de Webb en el ambiente frío del espacio permite la búsqueda de planetas más pequeños y débiles, imposibles de detectar desde el suelo».

Otro objetivo es comprender cómo se crearon los innumerables sistemas planetarios descubiertos hasta ahora.

«Creo que lo que estamos encontrando es que existe una gran diversidad en los sistemas solares», dijo Perrin. “Tienes sistemas en los que tienes estos planetas calientes de Júpiter en órbitas muy cercanas. Tienes sistemas donde no los tienes.

Tienes sistemas en los que tienes un planeta con una masa de 10 Júpiter y otros en los que no tienes nada más masivo que varias Tierras. En última instancia, queremos comprender cómo la diversidad de la formación del sistema planetario depende del entorno de la estrella, la masa de la estrella, todo tipo de otras cosas y, finalmente, a través de estos estudios a nivel de población, esperamos colocar nuestro propio sistema solar en contexto. . »

Las observaciones espectroscópicas NIRSpec de HR 8799 y las observaciones NIRCam de 51 Eridani son parte de los programas de Observaciones de tiempo garantizado que se llevarán a cabo poco después del lanzamiento de Webb a finales de este año.

Las observaciones NIRCam y MIRI de HR 8799 es una colaboración de dos equipos de instrumentos y también es parte del programa de Observaciones de tiempo garantizado.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar.

Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.