¿Cómo encontrar océanos ocultos en mundos distantes? Usando la química

planeta subNeptuno

Arriba: Los planetas que tienen entre 1,7 y 3,5 veces el diámetro de la Tierra a veces se denominan "subNeptunos". Créditos de imagen: NASA/JPL-Caltech

El telescopio espacial James Webb de la NASA será capaz de estudiar atmósferas de exoplanetas

Un nuevo estudio muestra cómo la química en la atmósfera de un exoplaneta puede, en algunos casos, revelar si la temperatura en su superficie es demasiado alta para el agua líquida.

En nuestro sistema solar, los planetas son pequeños y rocosos (como la Tierra) o grandes y gaseosos (como Neptuno). Pero alrededor de otras estrellas, los astrónomos han encontrado planetas que se encuentran en el medio: mundos un poco más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno. Estos planetas pueden tener superficies rocosas o océanos de agua líquida, pero es probable que la mayoría estén coronados por atmósferas muchas veces más gruesas y opacas que la de la Tierra.

En el nuevo estudio, aceptado en Astrophysical Journal Letters, los investigadores muestran cómo la química de esas atmósferas podría revelar pistas sobre lo que hay debajo, específicamente, qué planetas son demasiado calientes para soportar océanos de agua líquida.

Dado que el agua líquida es un ingrediente necesario para la vida tal como la conocemos, esta técnica podría ayudar a los científicos a reducir su búsqueda de exoplanetas potencialmente habitables o planetas más allá de nuestro sistema solar. Se han confirmado más de 4.500 exoplanetas en nuestra galaxia, con más de 7.700 candidatos aún por confirmar, pero los científicos estiman que en nuestra galaxia existen cientos de miles de millones de exoplanetas.

Algunos telescopios espaciales de la NASA equipados con espectrómetros pueden revelar la composición química de la atmósfera de un exoplaneta. Un perfil químico de la Tierra no podría revelar imágenes de, digamos, vacas o humanos en la superficie del planeta, pero mostraría dióxido de carbono y metano producidos por mamíferos y oxígeno producido por árboles. Ninguno de estos productos químicos por sí solo sería un signo de vida, pero en combinación señalarían la posibilidad de que nuestro planeta esté habitado.

Vídeo: Para ayudar a comprender la increíble variedad de exoplanetas que existen en nuestra galaxia, los científicos a veces usan términos como "Júpiter caliente" y "subNeptuno" para indicar las similitudes y diferencias entre exoplanetas (planetas más allá de nuestro sistema solar) y planetas dentro de nuestro sistema solar. Crédito: NASA/JPL-Caltech

El nuevo artículo muestra qué sustancias químicas podrían apuntar a océanos ocultos en exoplanetas entre 1,7 y 3,5 veces del diámetro de la Tierra. Dado que Neptuno tiene aproximadamente cuatro veces el diámetro de la Tierra, estos planetas a veces se denominan "subNeptunos".

Una atmósfera espesa en un planeta subNeptuno atraparía el calor en la superficie y elevaría la temperatura. Si la atmósfera alcanza un cierto umbral, típicamente alrededor de 1.430 grados Fahrenheit (770 grados Celsius), se someterá a un proceso llamado equilibrio termoquímico que cambia su perfil químico. Después de que se produzca el equilibrio termoquímico, y suponiendo que la atmósfera del planeta esté compuesta principalmente de hidrógeno, que es típico de los exoplanetas gaseosos, el carbono y el nitrógeno estarán predominantemente en forma de metano y amoníaco.

Esos productos químicos faltarían en gran medida en una atmósfera más fría y delgada donde no se ha producido el equilibrio termoquímico. En ese caso, las formas dominantes de carbono y nitrógeno serían el dióxido de carbono y las moléculas de dos átomos de nitrógeno.

Un océano de agua líquida debajo de la atmósfera dejaría signos adicionales, según el estudio, incluida la ausencia de casi todo el amoníaco perdido, que se disolvería en el océano. El gas amoniaco es altamente soluble en agua, dependiendo del pH del océano (su nivel de acidez). En una amplia gama de niveles plausibles de pH oceánico, los investigadores encontraron que la atmósfera debería estar prácticamente libre de amoníaco cuando hay un océano masivo debajo.

Además, habría más dióxido de carbono que monóxido de carbono en la atmósfera; por el contrario, después del equilibrio termoquímico, debería haber más monóxido de carbono que dióxido de carbono si hay cantidades detectables de cualquiera de ellos.

"Si vemos las firmas del equilibrio termoquímico, concluiríamos que el planeta es demasiado caliente para ser habitable", dijo Renyu Hu, investigador del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, quien dirigió el estudio. "Viceversa, si no vemos la firma del equilibrio termoquímico y también vemos las firmas de gas disuelto en un océano de agua líquida, las tomaríamos como una fuerte indicación de habitabilidad".

El telescopio espacial James Webb de la NASA, que se lanzará el 18 de diciembre, llevará un espectrómetro capaz de estudiar atmósferas de exoplanetas. Científicos como Hu están trabajando para anticipar qué tipos de perfiles químicos verá Webb en esas atmósferas y qué podrían revelar sobre estos mundos distantes. El observatorio tiene la capacidad de identificar signos de equilibrio termoquímico en atmósferas sub-Neptuno, en otras palabras, signos de un océano oculto, como se identifica en el documento.

A medida que Webb descubra nuevos planetas o realice estudios más profundos de planetas conocidos, esta información podría ayudar a los científicos a decidir cuáles de ellos son dignos de observaciones adicionales, especialmente si los científicos quieren apuntar a planetas que podrían albergar vida.

"No tenemos evidencia de observación directa que nos diga cuáles son las características físicas comunes de los subneptunos", dijo Hu. “Muchos de ellos pueden tener atmósferas masivas de hidrógeno, pero algunos aún podrían ser 'planetas oceánicos'. Espero que para averiguarlo este artículo motive muchas más observaciones en un futuro cercano".

La investigación se ha publicado en arXiv: Unveiling shrouded oceans on temperate sub-Neptunes via transit signatures of solubility equilibria vs. gas thermochemistry

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