TRAPPIST-1 b, ¿atmósfera sí o no?

Seguramente recuerden que a principios de 2017, un grupo de astrónomos informaron del hallazgo de siete planetas rocosos alrededor de una estrella enana roja ultrafría (Gillon, 2017). Este sistema, denominado TRAPPIST-1, está situado a unos 40 años luz de la Tierra. Algo que destaca de este conjunto es la similitud en tamaño y masa con los planetas rocosos de nuestro propio sistema solar. Sin embargo, la diferencia más radical es que todos ellos orbitan muy cerca de su estrella, tanto que la órbita del planeta más extremo cabría perfectamente en el interior de la de Mercurio. También es cierto que al tratarse de una estrella ultrafría, la energía que reciben es comparable a la que llega a los planetas rocosos de nuestro sistema solar. Hoy quiero hablarles de uno de los planetas del sistema: TRAPPIST-1 b.

Centrándonos en TRAPPIST-1 b

Para ponerlo en contexto, TRAPPIST-1 b, el planeta más interno del sistema, dista de su estrella una centésima parte de la longitud Tierra-Sol, aunque la energía que recibe el exoplaneta es cuatro veces la cantidad que recibimos de la nuestra. Por otra parte, no podemos perder de vista las estrellas enanas rojas ya que, en palabras de Thomas Greene, investigador en el ARC de la NASA y autor del artículo que expone la investigación de la que a continuación les hablaré, «hay diez veces más de estas estrellas en la Vía Láctea que estrellas como el Sol y tienen el doble de probabilidades de tener planetas rocosos. Por contra, emiten ráfagas de rayos X cuando son jóvenes».

Elsa Ducrot, coautora del artículo e investigadora en el CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), en Francia, realizó los estudios iniciales del sistema TRAPPIST-1 y comenta que «es más fácil caracterizar los planetas terrestres alrededor de estrellas más pequeñas y frías. Si queremos comprender la habitabilidad alrededor de las estrellas como TRAPPIST-1, disponemos de un gran laboratorio».

Analizando la presencia o no de atmósfera en TRAPPIST-1 b

Las observaciones anteriores de TRAPPIST-1 b realizadas con los telescopios espaciales Hubble (NASA/ESA) y Spitzer (NASA), no se apreciaron evidencias de una atmósfera destacable, aunque tampoco pudieron descartar una de gran densidad.

Para reducir la incertidumbre se puede medir la temperatura del planeta. Pierre Oliver, investigador en el CEA y coautor del estudio afirma que «el planeta está bloqueado por marea, es decir, con un lado mirando hacia la estrella en todo momento y el otro en oscuridad permanente. Si tuviese atmósfera el lado diurno será más fresco que si no la tuviera». Para tomar estas medidas usaron una ambiciosa técnica denominada «fotometría del eclipse secundario».

Estudiando el eclipse secundario

Para ello utilizaron el instrumento MIRI (Mid InfraRed Instrument) del Webb para medir el cambio de brillo del sistema cuando el planeta está a punto de ocultarse tras la estrella. Para exponerlo de un modo más sencillo: el eclipse primario mide la disminución de la luminosidad de la estrella cuando el planeta pasa por delante de la estrella. Por otro lado, el eclipse secundario se calcula midiendo la luminosidad de la estrella más la del planeta justo antes de pasar por detrás. Entonces, como el planeta está prácticamente en fase de «lleno», contribuye a la luminosidad grupal.

Infografía donde se muestra una representación del exoplaneta TRAPPIST-1 b en disposición de tránsito secundario. En la parte de abajo aparece la curva de luz de ese tránsito a lo largo de 3,5 horas || Créditos: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA) (Ampliar).

En este caso, MIRI midió el cambio en el brillo en el infrarrojo del sistema a medida que el planeta se acercaba visualmente a la estrella para pasar por detrás. Al restar el brillo de la estrella por sí sola del brillo de la estrella y el planeta combinados, pudieron calcular con éxito cuánta luz infrarroja emite el planeta. Cabe destacar que la detección de eclipses secundarios ha sido un reto en la exploración exoplanetaria y no demasiadas veces se ha logrado. Es por eso que la detección del Webb de este tipo de eclipse es un importante hito en sí mismo. En cifras, la estrella resulta ser más de 1.000 veces más brillante que el planeta por lo que el cambio de brillo es inferior al 0,1 %.

Analizando el eclipse secundario de TRAPPIST-1 b

Taylor Bell, el investigador postdoctoral que analizó los datos, explica que «había cierto temor de que nos perdiéramos el eclipse. Todos los planetas interactúan entre ellos, por lo que las órbitas no son perfectas. Al verlo, fue simplemente increíble: la hora del eclipse que vimos en los datos tan solo se desvió un par de minutos». Con los datos extraídos de los cinco eclipses secundarios observados, los científicos han calculado que el exoplaneta TRAPPIST-1 b tiene una temperatura diurna de unos 230 ºC por lo que la interpretación más plausible con ese segmento de datos es la de que el exoplaneta carece de atmósfera.

Según Ducrot, «hemos comparado los resultados con modelos que mostraban cuál debería ser la temperatura en diferentes escenarios. Son prácticamente consistentes con un cuerpo negro hecho de roca y sin atmósfera en base a como circula el calor. Tampoco vimos ningún signo de que el dióxido de carbono absorbiera la luz, lo que sería evidente en estos datos».

temperaturas — Infografía que muestra cinco planetas dibujados a lo largo de una escala de temperatura, tanto en kelvin como en grados Fahrenheit. Los planetas son: la Tierra, TRAPPIST-1 b, Mercurio, además de dos modelos diferentes para el propio TRAPPIST-1 b || Créditos: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA) (Ampliar).

TRAPPIST-1 b se sigue estudiando

Esta investigación forma parte de los programas GO (General Observer) y 1177 de GTO (Guaranteed Time Observation) , siendo este último uno de los ocho que existen con el fin de caracterizar completamente el sistema TRAPPIST-1. Adicionalmente, se están realizando observaciones adicionales de eclipses secundarios de TRAPPIST-1 b, y ahora que ya tienen datos con los que comparar, el equipo espera realizar una curva de luz completa de la órbita del exoplaneta. Esto les permitirá ver cómo cambia la temperatura del día a la noche y confirmar finalmente si el planeta tiene atmósfera o no ya que el modelo utilizado podría no funcionar al aplicarlo al conjunto completo de los datos orbitales.

Artículos científicos relacionados

Greene, T.P., Bell, T.J., Ducrot, E. et al (2023). Thermal Emission from the Earth-sized Exoplanet TRAPPIST-1 b using JWST. Nature DOI: 10.1038/s41586-023-05951-7 (Ver).

Gillon, M., Triaud, A., Demory, BO. et al (2017). Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature 542, pp. 456-460. DOI: 10.1038/nature21360 (Ver).

Bourrier, V. et al (2017). Temporal Evolution of the High-Energy Irradiantion and Content of TRAPPIST-1 Exoplanets. The Astronomical Journal 154 121. DOI: 10.3847/1538-3881/aa859c (Ver).