Un equipo internacional de astrónomos ha analizado las observaciones de archivo de 25 Júpiter calientes realizadas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA, lo que les ha permitido responder cinco preguntas abiertas importantes para nuestra comprensión de las atmósferas de los exoplanetas. Entre otros hallazgos, el equipo descubrió que la presencia de óxidos e hidruros metálicos en las atmósferas de los exoplanetas más calientes estaba claramente relacionada con la inversión térmica de las atmósferas.
El campo de la ciencia de los exoplanetas hace tiempo que cambió su enfoque de la simple detección a la caracterización, aunque la caracterización sigue siendo un gran desafío. Hasta el momento, la mayor parte de la investigación sobre caracterización se ha dirigido a la modelización o estudios centrados en uno o unos pocos exoplanetas. Este nuevo trabajo, dirigido por investigadores del University College London (UCL), utilizó la mayor cantidad de datos de archivo jamás examinados en un solo estudio de atmósfera de exoplanetas para analizar las atmósferas de 25 exoplanetas. La mayoría de los datos provienen de observaciones tomadas con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. El autor principal, Quentin Changeat, explica: «Hubble permitió la caracterización en profundidad de 25 exoplanetas, y la cantidad de información que aprendimos sobre su química y formación, gracias a una década de intensas campañas de observación, es increíble».
El equipo científico trató de encontrar respuestas a cinco preguntas abiertas sobre las atmósferas de los exoplanetas, un objetivo ambicioso que lograron alcanzar. Sus preguntas probaron qué H– y ciertos metales pueden decirnos sobre la química y la circulación de las atmósferas de los exoplanetas, y sobre la formación de planetas. Eligieron investigar una amplia gama de Júpiter calientes, con la intención de identificar tendencias dentro de su población de muestra que pudieran proporcionar información sobre las atmósferas de los exoplanetas en general. El colíder del estudio, Billy Edwards de la UCL y el Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies Alternatives (CEA), dijo: «Nuestro documento marca un punto de inflexión para el campo: ahora estamos pasando de la caracterización de atmósferas de exoplanetas individuales a la caracterización de poblaciones atmosféricas».
Para investigar su muestra de 25 exoplanetas, el equipo volvió a analizar una enorme cantidad de datos de archivo, consistentes en 600 horas de observaciones del Hubble, que complementaron con más de 400 horas de observaciones del Telescopio Espacial Spitzer. Sus datos contenían eclipses para los 25 exoplanetas y tránsitos para 17 de ellos. Un eclipse ocurre cuando un exoplaneta pasa por detrás de su estrella visto desde la Tierra, y un tránsito ocurre cuando un planeta pasa por delante de su estrella. Los datos de eclipses y tránsitos pueden proporcionar información crucial sobre la atmósfera de un exoplaneta.
La encuesta a gran escala arrojó resultados, y el equipo pudo identificar algunas tendencias y correlaciones claras entre las constituciones atmosféricas de los exoplanetas y el comportamiento observado. Algunos de sus hallazgos clave se relacionaron con la presencia o ausencia de inversiones térmicas en las atmósferas de su muestra de exoplanetas. Descubrieron que casi todos los exoplanetas con una atmósfera térmicamente invertida eran extremadamente calientes, con temperaturas superiores a los 2000 Kelvin. Es importante destacar que está lo suficientemente caliente como para que las especies metálicas TiO (óxido de titanio), VO (óxido de vanadio) y FeH (hidruro de hierro) sean estables en una atmósfera. De los exoplanetas que muestran inversiones térmicas, se encontró que casi todos tenían H–, TiO, VO o FeH en sus atmósferas.
Siempre es un desafío sacar inferencias de tales resultados, porque la correlación no necesariamente es igual a la causalidad. Sin embargo, el equipo pudo proponer un argumento convincente de por qué la presencia de H–, TiO, VO o FeH podría conducir a una inversión térmica, a saber, que todas estas especies metálicas son absorbentes muy eficientes de la luz estelar. Podría ser que las atmósferas de los exoplanetas lo suficientemente calientes como para sostener a estas especies tiendan a invertirse térmicamente porque luego absorben tanta luz estelar que sus atmósferas superiores se calientan aún más. Por el contrario, el equipo también descubrió que los Júpiter más fríos y calientes (con temperaturas inferiores a 2000 Kelvin y, por lo tanto, sin H–, TiO, VO o FeH en sus atmósferas) casi nunca tenían atmósferas térmicamente invertidas.
Un aspecto significativo de esta investigación fue que el equipo pudo usar una gran muestra de exoplanetas y una cantidad extremadamente grande de datos para determinar tendencias, que pueden usarse para predecir el comportamiento en otros exoplanetas. Esto es extremadamente útil porque proporciona información sobre cómo se pueden formar los planetas y también porque permite a otros astrónomos planificar observaciones futuras de manera más efectiva. Por el contrario, si un artículo estudia un solo exoplaneta con gran detalle, aunque es valioso, es mucho más complicado extrapolar tendencias. Una mejor comprensión de las poblaciones de exoplanetas también podría acercarnos a dar con misterios abiertos sobre nuestro propio Sistema Solar. Como dice Changeat: «Muchas cuestiones, como los orígenes del agua en la Tierra, la formación de la Luna y las diferentes historias evolutivas de la Tierra y Marte, siguen sin resolverse a pesar de nuestra capacidad para obtener mediciones in situ. Los grandes estudios de población de exoplanetas, como el que presentamos aquí, tienen como objetivo comprender esos procesos generales».
