Cartografían por primera vez en 3D la atmósfera de un exoplaneta

Un equipo internacional, en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha logrado cartografiar por primera vez la estructura tridimensional de la atmósfera de un exoplaneta, es decir un planeta situado más allá del Sistema Solar. Esta investigación, que se publica hoy en Nature, ha podido descubrir vientos muy fuertes que transportan elementos químicos como el hierro y el titanio, lo que crea ciertos patrones climáticos a través de la atmósfera del planeta. Con este cartografiado se abre la puerta a estudios más completos y detallados la composición química y del clima de otros planetas.

El estudio ha sido posible con datos obtenidos de las cuatro unidades de telescopio del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) y, en concreto, al instrumento ESPRESSO.

Estructura y movimiento de la atmósfera del exoplaneta Tylos. Imagen: ESO/M. Kornmesser.

El planeta, WASP-121b (también conocido como Tylos), se encuentra a unos 900 años luz de distancia, en la constelación de Puppis. Se trata de un planeta tipo Júpiter ultracaliente y es un gigante gaseoso que orbita tan cerca de su estrella anfitriona que un año allí solo dura unas 30 horas terrestres. Además, uno de los lados del exoplaneta siempre da a la estrella, por lo que tiene temperaturas muy calientes; mientras que el otro lado del planeta es más frío.

El investigador del IAC Enric Pallé ha sido uno de los autores del estudio y explica que “por primera vez y gracias a la asombrosa calidad de los datos del instrumento ESPRESSO somos capaces de medir un sistema complejo de vientos a varias alturas en la atmósfera de un exoplaneta. Estos vientos son los responsables de redistribuir la energía que la estrella deposita en el lado permanentemente iluminado del planeta por toda su atmósfera”.

Por su parte, Alejandro Suárez Mascareño, también coautor del trabajo e investigador del IAC y de la Universidad de La Laguna (ULL), remarca que “hace no tanto, desconocíamos por completo la existencia de exoplanetas. Hoy, somos capaces de cartografiar sus vientos. Estudios como este son un testimonio del impresionante avance tecnológico en instrumentación astrofísica, un progreso en el que Canarias ha tenido un papel fundamental”.

Hay que recordar la importante aportación que tiene el IAC a este descubrimiento, no solo por la contribución científica tanto de Pallé como de Suárez Mascareño, sino porque el espectrógrafo ultra estable ESPRESSO, clave en esta investigación, fue diseñado y construido con la participación del Instituto de Astrofísica de Canarias.

Profundizar en la atmósfera

El equipo ha podido sondear las profundidades de la atmósfera de Tylos y ha revelado la presencia de vientos distintos en capas separadas. Esto les ha permitido, por primera vez, realizar este mapa de la estructura tridimensional de la atmósfera. Es la primera vez que los astrónomos pueden estudiar la atmósfera de un planeta fuera de nuestro Sistema Solar con tanta profundidad y detalle.

“Lo que descubrimos fue sorprendente: una corriente en chorro hace girar el material alrededor del ecuador del planeta, mientras que un flujo separado a niveles más bajos de la atmósfera mueve el gas del lado caliente al lado más frío. Este tipo de clima nunca se había visto antes en ningún planeta”, afirma Julia Victoria Seidel, investigadora del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile y autora principal del estudio, publicado hoy en Nature. La corriente en chorro observada se extiende por la mitad del planeta, ganando velocidad y agitando violentamente la atmósfera en lo alto del cielo a medida que cruza el lado caliente de Tylos. “Incluso los huracanes más fuertes del Sistema Solar parecen tranquilos en comparación con los de este exoplaneta”, añade.

Para descubrir la estructura tridimensional de la atmósfera del exoplaneta, el equipo utilizó ESPRESSO para combinar la luz de sus cuatro telescopios VLT en una única señal. Este modo combinado del VLT recoge cuatro veces más luz que una unidad de telescopio individual, revelando detalles más tenues. Al observar el planeta durante un tránsito completo por delante de su estrella anfitriona, ESPRESSO pudo detectar firmas de múltiples elementos químicos, sondeando así diferentes capas de la atmósfera.

“El VLT nos permitió sondear tres capas distintas de la atmósfera del exoplaneta de un solo golpe”, afirma Leonardo A. dos Santos, coautor del estudio y astrónomo adjunto del Space Telescope Science Institute de Baltimore (Estados Unidos). El equipo siguió los movimientos del hierro, del sodio y del hidrógeno, lo que les permitió rastrear los vientos en las capas profunda, media y superficial de la atmósfera del planeta, respectivamente. “Es el tipo de observación que resulta muy difícil de realizar con telescopios espaciales, lo que subraya la importancia de las observaciones terrestres de los exoplanetas”, añade.

Curiosamente, las observaciones también revelaron la presencia de titanio justo debajo de la corriente en chorro, como se destaca en un estudio complementario publicado en Astronomy and Astrophysics. Esta fue otra sorpresa del equipo de investigación, ya que observaciones anteriores del planeta habían mostrado la ausencia de este elemento, posiblemente porque está oculto en las profundidades de la atmósfera.

“Es realmente sorprendente que podamos estudiar detalles como la composición química y los patrones climáticos de un planeta a una distancia tan grande”, afirma Bibiana Prinoth, de la  Lund University (Suecia) y ESO, quien dirigió el estudio complementario y es coautora del artículo de Nature.