Detectan metano en un exoplaneta con temperatura similar a la Tierra: por qué sorprende a los astrónomos

El telescopio James Webb detectó metano en la atmósfera de TOI-199b, un exoplaneta de tamaño similar a Saturno y con una temperatura más cercana a la de la Tierra que a la de los gigantes gaseosos extremos, un resultado que, según un nuevo estudio, abre una referencia inédita para entender cómo se forman y evolucionan los planetas templados fuera del sistema solar.

El hallazgo tiene un rasgo singular: TOI-199b es uno de los pocos gigantes templados conocidos y el primero cuya atmósfera pudo analizarse en detalle, según el estudio publicado en The Astronomical Journal por un equipo liderado por astrónomos de Penn State y del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el Instituto Tecnológico de California.

De acuerdo con los investigadores, esa caracterización atmosférica servirá como base para afinar los modelos de formación y evolución planetaria. También podría mejorar la comprensión de los astrónomos sobre el funcionamiento de la atmósfera terrestre.

Renyu Hu, profesor asociado de astronomía y astrofísica en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y líder del equipo de investigación, explicó que una de las principales ventajas de estudiar planetas más allá del sistema solar es la posibilidad de observar una diversidad de mundos que no existe en el vecindario cósmico de la Tierra. Según Hu, ese abanico permite aprender cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios.

TOI-199b es el primer gigante templado con atmósfera analizada en detalle

Desde el descubrimiento del primer exoplaneta en 1992 por un equipo que incluía a Aleksander Wolszczan, de Penn State, los astrónomos han identificado miles de exoplanetas, según el texto del estudio. Entre todos ellos, solo se conocen unos pocos exoplanetas gigantes y templados.

La novedad de TOI-199b se entiende mejor por contraste. En el sistema solar, Júpiter y Saturno están lejos del Sol y por eso son extremadamente fríos, mientras que fuera de ese sistema abundan los llamados “Júpiter calientes”, gigantes gaseosos abrasadores por su cercanía a las estrellas que orbitan.

TOI-199b ocupa un punto intermedio poco frecuente. El planeta tiene un tamaño comparable al de Saturno y gira alrededor de su estrella a más de 330 años luz de la Tierra.

Su órbita completa tarda aproximadamente 100 días. Su temperatura ronda los 175 °F (79 °C), una cifra que sigue siendo alta para los seres humanos, pero que no está muy por encima de las máximas registradas en la Tierra, que llegan a unos 134 °F (57 °C), según la descripción incluida en el estudio.

El trabajo añade una comparación cotidiana para ilustrar esa escala térmica: esa temperatura puede alcanzarse con facilidad en el tablero de un automóvil estacionado bajo la luz solar directa. Aun así, TOI-199b es mucho más templado que los Júpiter calientes, que pueden alcanzar miles de grados, y también más cálido que los gigantes gaseosos fríos del sistema solar, que se encuentran a cientos de grados bajo cero.

Para estudiar la atmósfera de un exoplaneta, los astrónomos recurrieron a una técnica conocida como espectroscopia de transmisión, según el equipo de investigación. El método consiste en analizar la luz de la estrella cuando atraviesa la atmósfera del planeta.

Ese procedimiento requiere una geometría orbital precisa: el planeta debe pasar entre su estrella y el telescopio. Cuando esa alineación ocurre, parte de la luz estelar cruza las capas gaseosas del planeta antes de llegar a los instrumentos de observación.

Los instrumentos del telescopio espacial James Webb separan esa luz en sus distintas longitudes de onda, de manera parecida a como un prisma descompone la luz blanca en los colores del arcoíris. Esa descomposición permite buscar señales químicas específicas.

Aaron Bello-Arufe, investigador posdoctoral del JPL y primer autor del artículo, explicó que cuando un planeta cruza delante de su estrella, una fracción de esa luz atraviesa la atmósfera y allí interactúa con los elementos y moléculas presentes. Según Bello-Arufe, ciertos elementos absorben longitudes de onda concretas y dejan una huella característica en el espectro de luz que detecta el JWST, lo que permite reconstruir la composición atmosférica.

Para obtener esa señal, el equipo comparó el espectro observado durante el tránsito con una referencia de la luz de la estrella. Esa referencia se estableció mediante unas 20 horas consecutivas de observaciones realizadas por el JWST, según los investigadores.

El tránsito de TOI-199b duró alrededor de siete horas, mucho más que los tránsitos de los Júpiter calientes, que pueden extenderse una hora o menos. Esa diferencia temporal también definió el tipo de observación necesario para estudiar este planeta.

La respuesta central del estudio es esa: la atmósfera de TOI-199b contiene metano. El equipo llegó a esa conclusión al detectar que la atmósfera bloqueaba las longitudes de onda de la luz estelar que absorbe ese gas.

Bello-Arufe dijo que, al comparar los espectros tomados durante el tránsito con los de referencia, el equipo observó que la atmósfera bloqueaba las longitudes de onda absorbidas por el metano. Añadió que los modelos sobre la composición de los exoplanetas gigantes gaseosos templados ya predecían la presencia de ese gas y que la observación aporta una confirmación directa de esas teorías.

Además del metano, las observaciones indicaron que la atmósfera también contenía amoníaco y dióxido de carbono, según el equipo.

Para la ciencia planetaria, el valor del hallazgo no se limita a la identificación de un gas. Hu señaló que nuevas observaciones de TOI-199b podrían permitir determinar la abundancia relativa de esos distintos compuestos en la atmósfera.

Según Hu, una imagen más completa de la atmósfera de un gigante gaseoso templado puede usarse para mejorar los modelos existentes. También podría ayudar a entender mejor cómo se forman y evolucionan los planetas y sus atmósferas, incluida la de la Tierra. El trabajo también tiene una consecuencia práctica para futuras campañas de observación. De acuerdo con el equipo, el éxito de este primer estudio atmosférico de un planeta gigante templado da la confianza necesaria para dedicar más recursos y tiempo de observación a otros mundos de características parecidas.

Ese paso siguiente permitiría establecer si TOI-199b es un caso aislado o si comparte rasgos comunes con otros gigantes templados. Esa comparación, según los investigadores, es la que puede transformar una detección puntual en una base más sólida para comprender esta clase de planetas.