La compleja atmósfera de un súper Júpiter sin estrellas, expuesta por Webb

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Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que las variaciones de brillo observadas previamente en un objeto de masa planetaria que flota libremente conocido como SIMP 0136 deben ser el resultado de una combinación compleja de factores atmosféricos y no pueden explicarse únicamente por las nubes.

Utilizando el telescopio espacial James Webb para monitorear un amplio espectro de luz infrarroja emitida por SIMP 0136 durante dos períodos de rotación completos, el equipo pudo detectar variaciones en las capas de nubes, la temperatura y la química del carbono que anteriormente permanecían ocultas a la vista. Los resultados brindan información crucial sobre la complejidad tridimensional de las atmósferas de los gigantes gaseosos dentro y fuera de nuestro sistema solar.

Rápida rotación… ¿y flotación libre?
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SIMP 0136 es un objeto que gira rápidamente y flota libremente, con una masa de aproximadamente 13 veces la de Júpiter, ubicado en la Vía Láctea a sólo 20 años luz de la Tierra. Aunque no está clasificado como un exoplaneta gigante gaseoso (no orbita una estrella y, en cambio, podría ser una enana marrón), SIMP 0136 es un objetivo ideal para la exometeorología: es el objeto más brillante de su tipo en el cielo del hemisferio norte. Debido a que está aislado, se lo puede observar directamente y sin temor a la contaminación lumínica o la variabilidad causada por una estrella anfitriona. Y su corto período de rotación de sólo 2,4 horas permite estudiarlo de manera muy eficiente.

Antes de las observaciones con Webb, SIMP 0136 había sido estudiado ampliamente utilizando observatorios terrestres, así como el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble de NASA y ESA.

“Ya sabíamos que varía en brillo y estábamos seguros de que hay capas de nubes irregulares que aparecen y desaparecen de la vista y evolucionan con el tiempo”, explicó Allison McCarthy, estudiante de doctorado en la Universidad de Boston y autora principal de un estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters. “También pensábamos que podría haber variaciones de temperatura, reacciones químicas y posiblemente algunos efectos de la actividad auroral que afectaran el brillo, pero no estábamos seguros”.

Para resolverlo, el equipo necesitaba la capacidad de Webb para medir cambios muy precisos en el brillo en un amplio rango de longitudes de onda.

Cartografiando miles de arcoíris infrarrojos
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Utilizando el espectrógrafo de infrarrojo cercano NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), Webb capturó miles de espectros individuales de entre 0,6 y 5,3 micrones, uno cada 1,8 segundos, durante más de tres horas, mientras el objeto completaba una rotación completa. A esto le siguió inmediatamente una observación con el instrumento de infrarrojo medio MIRI (Mid-Infrared Instrument), que recopiló cientos de mediciones de luz de entre 5 y 14 micrones, una cada 19,2 segundos, durante otra rotación.

El resultado fueron cientos de curvas de luz detalladas, cada una mostrando el cambio en el brillo de una longitud de onda (color) muy precisa a medida que diferentes lados del objeto giraban a la vista.

“Fue increíble ver cómo cambiaba el espectro completo de este objeto en cuestión de minutos”, afirmó la investigadora principal Johanna Vos, del Trinity College de Dublín. “Hasta ahora, sólo teníamos una pequeña porción del espectro del infrarrojo cercano del Hubble y unas pocas mediciones de brillo del Spitzer”.

El equipo advirtió casi inmediatamente que había varias formas de curvas de luz distintas. En un momento dado, algunas longitudes de onda se volvían más brillantes, mientras que otras se volvían más tenues o no cambiaban mucho en absoluto. Una serie de factores diferentes deben estar afectando las variaciones de brillo.

“Imagínense observar la Tierra desde lejos. Si miráramos cada color por separado, veríamos diferentes patrones que nos dirían algo sobre su superficie y atmósfera, incluso si no pudiésemos distinguir las características individuales”, explicó el coautor Philip Muirhead, también de la Universidad de Boston. “El azul aumentaría a medida que los océanos rotaran y aparecieran a la vista. Los cambios en el marrón y el verde nos dirían algo sobre el suelo y la vegetación”.

Nubes irregulares, puntos calientes y química del carbono
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Para descubrir qué podría estar causando la variabilidad en SIMP 0136, el equipo utilizó modelos atmosféricos para mostrar dónde se originaba en la atmósfera cada longitud de onda de luz.

“Diferentes longitudes de onda proporcionan información sobre las distintas profundidades de la atmósfera”, explicó McCarthy. “Empezamos a darnos cuenta de que las longitudes de onda que tenían las formas de curva de luz más similares también sondeaban las mismas profundidades, lo que reforzó la idea de que debían estar causadas por el mismo mecanismo”.

Un grupo de longitudes de onda, por ejemplo, se origina en las profundidades de la atmósfera, donde podría haber nubes irregulares formadas por partículas de hierro. Un segundo grupo proviene de nubes más altas que se cree que están formadas por pequeños granos de minerales de silicato. Las variaciones en ambas curvas de luz están relacionadas con la irregularidad de las capas de nubes.

Un tercer grupo de longitudes de onda se origina a gran altitud, muy por encima de las nubes, y parece seguir la temperatura. Los “puntos calientes” brillantes podrían estar relacionados con auroras que se habían detectado anteriormente en longitudes de onda de radio, o con el ascenso de gas caliente desde las capas más profundas de la atmósfera.

Algunas de las curvas de luz no pueden explicarse ni por las nubes ni por la temperatura, sino que muestran variaciones relacionadas con la química del carbono atmosférico. Podría haber bolsas de monóxido de carbono y dióxido de carbono que aparecen y desaparecen de la vista, o reacciones químicas que provocan cambios en la atmósfera.

“Todavía no hemos descifrado la parte química del rompecabezas”, dijo Vos. “Pero estos resultados son realmente emocionantes porque nos muestran que las abundancias de moléculas como el metano y el dióxido de carbono podrían cambiar de un lugar a otro y con el tiempo. Si estamos observando un exoplaneta y sólo podemos obtener una medición, debemos considerar que podría no ser representativa de todo el planeta”.

El gráfico consta de dos partes. A la izquierda, se muestran las curvas de luz que muestran el cambio de brillo de tres conjuntos de longitudes de onda del infrarrojo cercano a lo largo del tiempo. A la derecha, se muestra una sección transversal de la atmósfera del objeto, que muestra la altitud a la que se origina cada conjunto de longitudes de onda y su relación con las capas de nubes o la temperatura. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

Estas curvas de luz que podemos ver gracias a la información obtenida por Webb, y la explicación del equipo de científicos, muestran el cambio de brillo de tres conjuntos diferentes de longitudes de onda (colores) de luz infrarroja cercana proveniente del objeto aislado de masa planetaria SIMP 0136 a medida que giraba. La luz fue captada por el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) del Webb, que recopiló un total de 5726 espectros (uno cada 1,8 segundos) en el transcurso de aproximadamente 3 horas el 23 de julio de 2023 (SIMP 0136 completa una rotación cada 2,4 horas).

Al comparar estas curvas de luz con modelos computacionales, los investigadores pudieron demostrar que cada conjunto de longitudes de onda explora diferentes profundidades (presiones) en la atmósfera.

La curva que se muestra en rojo sigue el brillo de la luz de 0,9 a 1,4 micrones que se cree que se origina en las profundidades de la atmósfera a una presión de unos 10 bares (unas 10 veces la presión del aire a nivel del mar en la Tierra), dentro de nubes hechas de partículas de hierro. La curva que se muestra en amarillo sigue el brillo de la luz de 1,4 a 2,3 micrones a una presión de aproximadamente 1 bar dentro de nubes más altas hechas de pequeños granos de minerales de silicato. Las variaciones de brillo que muestran estas dos curvas están relacionadas con la irregularidad de las capas de nubes, que emiten algunas longitudes de onda de luz y absorben otras.

¿Hay auroras?
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La curva que se muestra en azul sigue el brillo de la luz de 3,3 a 3,6 micrones que se origina muy por encima de las nubes a una presión de aproximadamente 0,1 bares. Los cambios en el brillo de estas longitudes de onda están relacionados con las variaciones de temperatura alrededor del objeto. Los “puntos calientes” brillantes podrían estar relacionados con las auroras que se han detectado en longitudes de onda de radio o con el ascenso de gas caliente desde las capas más profundas de la atmósfera.

Las diferencias en la forma de estas tres curvas de luz muestran que existen variaciones complejas con la profundidad y la longitud en la atmósfera de SIMP 0136. Si la atmósfera variara alrededor del objeto de la misma manera en todas las profundidades, las curvas de luz tendrían patrones similares. Si variara con la profundidad, pero no con la longitud, las curvas de luz serían líneas rectas y planas.

Como observadores tengamos en cuenta que este gráfico muestra el cambio relativo en el brillo para cada conjunto dado de longitudes de onda a lo largo del tiempo, no la diferencia en el brillo absoluto entre los diferentes conjuntos. En un momento dado, hay más luz proveniente de la atmósfera profunda (curva de luz roja) que de la atmósfera superior (curva de luz azul).

SIMP 0136 se encuentra en la Vía Láctea, a unos 20 años luz de la Tierra, en la constelación de Piscis. Es el planeta aislado o enana marrón más brillante visible desde el hemisferio norte y se cree que tiene unos 200 millones de años. Los conceptos del artista se basan en observaciones espectroscópicas. Webb no ha capturado una imagen directa del objeto, aunque vaya si ha permitido avances.

Imaginemos que ‘casi podemos tocarlo con la mano’, porque está a ‘sólo’ 20 años luz, pero necesitamos del desarrollo de la civilización humana hasta la llegada de Webb, para advertir lo que no pudimos conseguir con otros observatorios espaciales, como Spitzer, o desde la superficie de nuestro hogar planetario.

Esta investigación se realizó como parte del Programa de Observadores Generales (GO) 3548 de Webb.

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El paper The JWST Weather Report from the Isolated Exoplanet Analog SIMP 0136+0933: Pressure-dependent Variability Driven by Multiple Mechanisms fue publicado en Astrophysical Journal Letters. Autores: Allison M. McCarthy, Johanna M. Vos, Philip S. Muirhead, Beth A. Biller, Caroline V. Morley, Jacqueline Faherty, Ben Burningham, Emily Calamari, Nicolas B. Cowan, Kelle L. Cruz, Eileen Gonzales, Mary Anne Limbach, Pengyu Liu, Evert Nasedkin, Genaro Suárez, Xianyu Tan, Cian O’Toole, Channon Visscher, Niall Whiteford & Yifan Zhou
El artículo Webb exposes complex atmosphere of starless super-Jupiter fue publicado en el sitio web que tiene la ESA para el telescopio espacial Webb. Muchas gracias a quienes lo redactaron.