Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), un equipo de astrónomos dirigido por MPIA ha fotografiado un nuevo exoplaneta orbitando una estrella en el cercano sistema triple Epsilon Indi. El planeta es un súper Júpiter frío que exhibe una temperatura de aproximadamente 0 grados Celsius y una amplia órbita alrededor del Sol comparable a la de Neptuno. Estas mediciones sólo fueron posibles gracias a las capacidades de obtención de imágenes sin precedentes del JWST en el infrarrojo térmico. Da ejemplos de masa, temperatura y órbita de la posibilidad de encontrar muchos más planetas similares a Júpiter. Su estudio mejorará nuestro conocimiento sobre cómo se forman y evolucionan los gigantes gaseosos con el tiempo.
“Nos emocionamos cuando nos dimos cuenta de que habíamos fotografiado este nuevo planeta”, dijo la investigadora Elizabeth Matthews del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania. Es el autor principal del artículo de investigación subyacente publicado en la revista. la naturaleza. “Para nuestra sorpresa, el punto brillante que apareció en nuestras imágenes MIRI no coincidía con la posición que esperábamos para el planeta”, señaló Matthews. “Estudios anteriores identificaron correctamente un planeta en este sistema, pero subestimaron la masa y la separación orbital de este gigante gaseoso súper Júpiter”. Con la ayuda de JWST, el equipo pudo dejar las cosas claras.
Esta identificación es bastante inusual en varios aspectos. Muestra el primer exoplaneta fotografiado con JWST que aún no ha sido fotografiado desde la Tierra y es mucho más frío que los planetas gaseosos estudiados hasta ahora. Una “imagen” significa que el planeta aparece como un punto brillante en las imágenes y, por tanto, representa una evidencia directa. Los métodos de tránsito y velocidad radial son evidencia indirecta, ya que el planeta se revela sólo a través de su influencia mediadora.
Las observaciones del JWST actualizan mediciones anteriores
El planeta orbita el componente principal del cercano sistema estelar triple Epsilon Indi, o EPS Indi para abreviar. Las convenciones de etiquetado astronómico asignan la etiqueta Eps Ind A a esa estrella primaria, una estrella enana roja que es ligeramente más pequeña y más fría que el Sol. Para formar el nombre del planeta se añade una “b”, dando como resultado la designación Eps Ind Ab.
Los nuevos datos del JWST son consistentes con un superJúpiter con seis veces la masa del Júpiter del Sistema Solar. Eps Ind Ab orbita su estrella anfitriona en una órbita elíptica y excéntrica cuya separación más lejana de Eps Ind A debería estar entre 20 y 40 AU. Una unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol, unos 150 millones de kilómetros. Los nuevos valores son significativamente diferentes de estudios anteriores, por lo que el equipo lo llamó un planeta “nuevo”.
Planeta fresco, ciencia caliente
Hasta la fecha sólo se conocen unos pocos planetas gigantes gaseosos fríos que orbitan alrededor de estrellas de la era solar, y todos ellos se han inferido indirectamente a partir de mediciones de velocidad radial. Al obtener imágenes de los planetas y tomar espectros, los astrónomos pueden estudiar sus atmósferas y rastrear la evolución de los sistemas planetarios en comparación con los modelos computacionales. Estudiar planetas en sistemas planetarios completamente estacionarios ayuda a atar cabos sueltos sobre las últimas etapas de la evolución planetaria y refinar nuestra comprensión general de la formación y evolución de los planetas.
Observaciones recientes conducen al descubrimiento de muchos más de estos planetas gigantes gaseosos fríos. Estos permiten a los astrónomos estudiar una nueva clase de exoplanetas y compararlos con los gigantes gaseosos del Sistema Solar.
Cómo detectar planetas gaseosos fríos
Sin embargo, estos planetas son difíciles de encontrar utilizando los métodos de detección clásicos. Los planetas alejados de sus estrellas anfitrionas son generalmente muy fríos, a diferencia de los Júpiter calientes que orbitan sus estrellas a separaciones de sólo unos pocos radios estelares. Es menos probable que las órbitas más amplias se alineen a lo largo de la línea de visión para producir una señal de tránsito. Además, medir su señal con métodos de velocidad radial es un desafío cuando solo se puede monitorear una pequeña parte de la órbita.
Estudios anteriores han intentado detectar un planeta gigante orbitando EPS Ind utilizando mediciones de velocidad radial. Sin embargo, extrapolar una porción más pequeña de la órbita lleva a conclusiones incorrectas sobre las propiedades del planeta. Después de todo, Eps Ind Ab tarda unos 200 años en orbitar su estrella. Unos pocos años de observaciones son insuficientes para determinar la órbita con alta precisión.
Por lo tanto, el equipo que rodea a Mathews desarrolló un enfoque diferente. Querían tomar una fotografía del planeta conocido utilizando un método comúnmente conocido como imagen directa. Debido a que las estrellas anfitrionas de exoplanetas son tan brillantes, eclipsan a cualquier otro objeto cercano. Las cámaras normales se verán abrumadas por la cegadora luz de las estrellas.
Por esta razón, el equipo equipó la cámara MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) de JWST con un coronógrafo. Esta máscara que bloquea la luz cubre la estrella como un eclipse artificial. Otra ventaja es la proximidad de Eps Ind a la Tierra, que está a sólo 12 años luz. Cuanto más corta es la distancia a la estrella, mayor es la separación entre los dos objetos en una imagen, lo que proporciona más posibilidades de reducir la interferencia de la estrella anfitriona. MIRI fue la elección perfecta porque observa en el infrarrojo térmico o medio, donde los objetos fríos brillan intensamente.
¿Qué sabemos sobre Eps Ind Ab?
“Descubrimos una señal en nuestros datos que no coincidía con el exoplaneta esperado”, dijo Matthews. El punto de luz en la imagen no estaba en la ubicación prevista. “Pero el planeta todavía parecía ser un planeta gigante”, añadió Matthews. Sin embargo, antes de poder hacer tal evaluación, los astrónomos tuvieron que descartar que la señal procediera de una fuente de fondo no relacionada con el indicador EPS.
“Siempre es difícil estar seguro, pero a partir de los datos, parecía muy poco probable que la señal procediera de una fuente de fondo extragaláctica”, explicó Leindert Boogaard, otro científico del MPIA y coautor del artículo de investigación. De hecho, mientras buscaba en bases de datos astronómicas otras observaciones de Eps Ind, el equipo encontró datos de imágenes de 2019 obtenidos con la cámara infrarroja VISIR conectada al Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO). Después de volver a analizar las imágenes, el equipo encontró un objeto débil donde debería estar si la fuente fotografiada con JWST fuera la estrella Eps Ind A.
Los científicos han intentado comprender las atmósferas de los exoplanetas basándose en las imágenes disponibles del planeta en tres colores: dos de JWST/MIRI y una de VLT/VISIR. Eps Ind Ab es más débil de lo esperado en longitudes de onda más cortas. Esto puede indicar una cantidad sustancial de elementos pesados, especialmente carbono, que forman moléculas como metano, dióxido de carbono y monóxido de carbono, que se encuentran comúnmente en los planetas gigantes gaseosos. Alternativamente, podría indicar que el planeta tiene una atmósfera nublada. Sin embargo, se necesita más trabajo para llegar a una conclusión final.
Planes y perspectivas
Este trabajo es sólo un primer paso hacia la caracterización de Eps Ind Ab. “Nuestro próximo objetivo es obtener espectros que proporcionen una huella digital detallada de la climatología y la composición química de nuestro planeta”, dijo Thomas Henning, director emérito del MPIA, co-PI del instrumento MIRI y coautor del artículo subyacente.
“A largo plazo, esperamos observar también otros sistemas planetarios cercanos para buscar gigantes gaseosos fríos que puedan haber escapado a la detección”, dijo Matthews. “Un estudio de este tipo servirá como base para una mejor comprensión de cómo se forman y evolucionan los planetas gaseosos”.