Telescopio James Webb detecta hidrocarburos y aerosoles en la atmósfera de un planeta que orbita una enana blanca

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha logrado la primera detección atmosférica confirmada en un planeta que orbita una enana blanca, revelando la presencia de hidrocarburos, aerosoles y emisión térmica nocturna en WD 1856 b, según un estudio publicado en la revista Nature.

El planeta WD 1856 b, del tamaño de Júpiter (0.9 radios jovianos), orbita la enana blanca WD 1856+534, ubicada a 25 parsecs de la Tierra, según el estudio. La observación se realizó el 27 de abril de 2023 utilizando el instrumento NIRSpec del JWST en modo PRISM como parte del Programa de Observador Invitado 2358, liderado por Ryan MacDonald.

El espectro de transmisión obtenido, que abarca longitudes de onda de 0.5 a 5.0 micrómetros, reveló la presencia de hidrocarburos con una relación de probabilidades de 167:1 a 5.377:1, siendo el metano (CH4) el preferido con una relación de 17:1 a 30:1, según el estudio. Los investigadores también detectaron aerosoles con una relación de probabilidades de 200.000:1 a 2.000.000:1, y emisión térmica del lado nocturno del planeta con una relación de 2 × 10^63:1 a 2 × 10^73:1.

El análisis espectral permitió a los científicos restringir la masa de WD 1856 b a entre 4.3 y 10.9 masas jovianas, representando la primera medición constreñida de la masa de este planeta, según el estudio. La atmósfera del planeta muestra un enriquecimiento significativo en carbono, con una abundancia de metano de aproximadamente 7%, lo que indica un enriquecimiento metálico de alrededor de 100 veces la composición solar.

Uno de los hallazgos más significativos es que la temperatura efectiva del planeta, de entre 390 y 412 Kelvin, excede sustancialmente tanto su temperatura de equilibrio esperada de 160 Kelvin como la temperatura prevista para un planeta gigante evolucionado de aproximadamente 10.000 millones de años de edad (menor a 100 Kelvin), según el estudio.

Los investigadores utilizaron modelos de enfriamiento teóricos para substellar objects para reconstruir la historia térmica de WD 1856 b. El análisis reveló que el planeta experimentó un evento de recalentamiento relacionado con migración orbital hace entre 3.000 y 5.500 millones de años durante la fase de enana blanca, según el estudio. Los límites conservadores de 2 sigma implican que el recalentamiento ocurrió al menos 1.400 millones de años (según la reducción de datos FIREFLy) o 2.100 millones de años (según la reducción Juniper) después de la fase de rama asintótica gigante (AGB).

Este cronograma descarta la evolución de envoltura común durante la fase AGB o post-AGB como mecanismo de migración, ya que estas fases duran menos de 2 millones de años y 0.1 millones de años respectivamente, según el estudio. En cambio, los resultados favorecen un escenario de migración de alta excentricidad hacia la órbita actual de 0.02 unidades astronómicas, con el evento de recalentamiento correspondiendo a la circularización por marea.

La estrella anfitriona, WD 1856+534, es una enana blanca de clase espectral DA con una temperatura efectiva de 4.710 Kelvin, un radio de 0.0131 radios solares, una masa de 0.518 masas solares y una edad de enfriamiento de aproximadamente 6.000 millones de años, según el estudio. El planeta completa una órbita cada 1.4 días en su órbita circular actual.

Los investigadores redujeron las observaciones del JWST utilizando dos pipelines de datos independientes, FIREFLy y Juniper, encontrando una excelente consistencia entre ambas reducciones. El espectro de transmisión reveló tres bandas de absorción prominentes de metano cerca de 1.75, 2.3 y 3.3 micrómetros, según el estudio. El modelo de mejor ajuste también incluye una contribución de fosfina (PH3) cerca de 4.3 micrómetros, que podría ser un indicador de mezcla vertical en desequilibrio similar a la atmósfera superior de Júpiter, aunque las degeneraciones del modelo y la menor relación señal-ruido a longitudes de onda más largas impiden una detección significativa de PH3 con los datos actuales.

La detección de aerosoles se evidencia por una pendiente de dispersión a longitudes de onda cortas de 1 micrómetro, más prominente que la dispersión Rayleigh de hidrógeno molecular (H2) de una atmósfera clara, según el estudio. Los investigadores encontraron que debe existir una capa de nubes ópticamente gruesa a presiones más profundas que aproximadamente 10 milibares para explicar la falta de "picos negativos" entre las bandas de absorción de metano.

La observación duró 1.98 horas, de las cuales el tránsito de WD 1856 b duró 8 minutos, según el estudio. Las observaciones encontraron una profundidad de tránsito 3% menor en la región de longitud de onda del infrarrojo cercano (4.19-4.96 micrómetros) en comparación con las longitudes de onda visibles (0.55-1.71 micrómetros), con el mecanismo físico para esta diferencia siendo la emisión térmica planetaria.

La abundancia recuperada de metano, similar a la atmósfera profunda de Neptuno (4%), requiere un enriquecimiento notable de carbono en la envoltura de hidrógeno molecular del planeta a partir de material rico en volátiles, ya sea acretado antes de su migración o después, según el estudio. Esta alta metalicidad atmosférica (mayor a 100 veces solar) mejora la producción de aerosoles, consistente con la detección de una pendiente de dispersión a longitudes de onda cortas en el espectro de transmisión.

El estudio descarta fuentes de energía internas como la fusión de deuterio o el calentamiento por marea como contribuyentes a la temperatura efectiva observada, dada la masa recuperada y la órbita circular actual, según los investigadores. Sin embargo, un reinicio térmico de WD 1856 b puede haber ocurrido mediante calentamiento por marea durante la migración de alta excentricidad o inmersión en la envoltura estelar durante una fase de envoltura común.

Los investigadores también notaron que la medición reciente de un exceso térmico de aproximadamente 190 Kelvin en fotometría MIRI del sistema WD 1856 en una época diferente cerca de la fase de cuarto potencialmente indica presiones variables de la cima de las nubes para diferentes hemisferios o en el tiempo, según el estudio. Alternativamente, un problema sistemático o de calibración no identificado que afecte a cualquiera de los instrumentos podría reconciliar la diferencia, aunque los investigadores no identificaron tal efecto en ninguno de los conjuntos de datos.

La órbita actual cercana de WD 1856 b (0.02 unidades astronómicas) requiere evolución orbital después de la secuencia principal para evitar el engullimiento durante la fase de gigante roja, según el estudio. Varios candidatos planetarios han sido identificados recientemente orbitando enanas blancas, demostrando que los planetas pueden sobrevivir intactos la etapa post-secuencia principal estelar.

WD 1856 b representa el primer planeta en tránsito bien caracterizado que orbita una enana blanca, según los investigadores. La evolución térmica inferida de WD 1856 b demuestra que la migración de alta excentricidad es un destino plausible para planetas gigantes después de la secuencia principal estelar.

Los resultados proporcionan una ventana al destino final de planetas gigantes que orbitan estrellas con masas similares al Sol, según el estudio. La mayoría de las estrellas, incluyendo el Sol, evolucionarán un día en gigantes rojas y, posteriormente, enanas blancas. Poco se conoce sobre la composición atmosférica de planetas post-secuencia principal, siendo los planetas en tránsito más evolucionados con detecciones atmosféricas hasta ahora orbitando subgigantes.

Como demuestra WD 1856 b, la espectroscopía de planetas que orbitan enanas blancas ofrece una nueva oportunidad para determinar el destino de los sistemas planetarios después de la muerte de su estrella, según concluyen los investigadores en el estudio publicado en Nature.