Júpiter, un laboratorio para el estudio de exoplanetas

La revista científica Astrophysical Journal Letters publica un estudio liderado por investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) del que, a su vez, se ha hecho eco la revista Nature. En él se presenta al planeta Júpiter como un laboratorio ideal para la investigación de exoplanetas similares. Júpiter, el mayor planeta del Sistema Solar, cuenta con grandes satélites a su alrededor. En el estudio se ha utilizado al mayor de los satélites (y el mayor del Sistema Solar), Ganímedes, como espejo para analizar la atmósfera del planeta. Las observaciones se realizaron durante un eclipse de Ganímedes y permitieron observar Júpiter como si fuera un exoplaneta en tránsito.

Su espectro de transmisión revela las huellas de una fuerte extinción de luminosidad en su espectro debido a la presencia de nubes (aerosoles) y brumas en la atmósfera de Júpiter, así como una fuerte absorción características del metano (CH4) y, lo más sorprendente, cristales de hielo en una capa estratosférica. Estos resultados son relevantes para el modelado y la interpretación de exoplanetas gigantes en tránsito, pero también abren una nueva vía para caracterizar las capas superiores de la atmósfera de Júpiter y determinar la abundancia de agua en ella, así como para establecer la tasa de impactos de cometas en Júpiter y sus consecuencias para la historia de la formación del Sistema Solar.

Método de tránsito

Durante las últimas dos décadas se han descubierto más de 1.800 exoplanetas, el 65% de ellos mediante el método del tránsito, que consiste en observar fotométricamente su estrella y detectar sutiles cambios en la intensidad de su luz cuando un planeta pasa por delante de ella. Un porcentaje pequeño de estos planetas, los que orbitan alrededor de estrellas más brillantes, permiten el estudio de sus atmósferas mediante la técnica de espectroscopía de transmisión, en la que se compara la diferencia entre la intensidad de la luz incidente y transmitida. Esta es, hoy por hoy, la técnica más exitosa para sondear la composición química de las atmósferas de exoplanetas.

Durante el paso del planeta por delante de su estrella central, parte del flujo estelar es bloqueado y sólo una diezmilésima parte atraviesa la fina atmósfera planetaria (para un planeta como Júpiter y una estrella de tipo solar), llevando consigo información acerca de sus capas atmosféricas y componentes.

“Con el fin de explorar las limitaciones de esta técnica, la hemos aplicado –explica Pilar Montañés, investigadora del IAC y primera autora del artículo- al estudio de la atmósfera de Júpiter. Hemos medido el espectro de trasmisión de Júpiter, observándolo como si se tratase de un exoplaneta. Nuestro método ha consistido en tomar espectros de alta resolución de Ganímedes (tercer satélite de Júpiter) durante su paso a través de la sombra planetaria. En el cociente de los espectros tomados antes y durante el eclipse, la señal solar, la telúrica y la de Ganímedes (que se encuentra en órbita sincrónica alrededor del planeta) son eliminadas.”

Este estudio muestra que las mayores absorciones corresponden al metano, como era de esperar en Júpiter. Sin embargo, es relevante la observación de la extinción causada por nubes y partículas de aerosoles. “Nuestros resultados –señala Enric Pallé, investigador del IAC y coautor del artículo- apoyan resultados anteriores en los que la espectroscopía de transmisión apuntaba a la detección de nubes y aerosoles en Júpiteres calientes. A medida que avanza el eclipse, nuestra técnica nos permite sondear más profundamente en la atmósfera del planeta».

Sin embargo, la señal más interesante que se ha detectado, entre 1,5 y 2,0 micras, se debe probablemente a nubes estratosféricas de cristales de hielos de agua. “Nuestros modelos –apunta Manuel López Puertas, del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)- han permitido determinar que la columna de hielo de agua contiene 0.0001 gramos/cm², una cantidad de agua mucho mayor que la medida anteriormente en estado gaseoso. También hemos detectado líneas atómicas de yoduro sódico (NaI) en la atmósfera de Júpiter debido a la deposición de sodio de origen cometario o al flujo continuado de sodio procedente de la luna Io”.

El esquema muestra el paso de Ganímedes (el tercer satélite joviano y el mayor del Sistema Solar) por el cono de sombra del planeta Júpiter. La órbita de la Tierra no nos permite observar un tránsito de Júpiter frente al Sol. Sin embargo, durante un eclipse de Ganímedes, el brillo del satélite disminuye, reflejando sólo el tenue haz de luz que consigue atravesar la atmósfera de Júpiter. Esta luz contiene información sobre la atmósfera joviana equivalente a la que obtendríamos observando un tránsito del planeta. Crédito de la animación: Gabriel Pérez, SMM (IAC).

«Es la primera vez que se realizan este tipo de observaciones en Júpiter desde tierra y cubriendo este amplio rango espectral», subraya Beatriz González, otro miembro del equipo y también del IAC.

Las observaciones se llevaron a cabo durante dos eclipses en 2012, utilizando el instrumento LIRIS en el Telescopio William Herschel, del Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma), y el instrumento XSHOOTER en el VLT (Very Large Telescope), del Observatorio de Paranal (Chile), en tres rangos del espectro: ultravioleta, visible e infrarrojo. Observaciones similares fueron realizadas previamente para obtener el espectro de transmisión de la Tierra mediante eclipses lunares por Enric Pallé, Pilar Montañés y sus colaboradores en 2009.

Referencia:

«Jupiter as an exoplanet: UV to NIR transmission spectrum reveals hazes, a Na layer and possibly stratospheric H2O-ice clouds». ApJ Letters.

Artículo en Nature: http://www.nature.com/news/jupiter-glimpsed-as-aliens-would-see-it-1.16926