Detectar una atmósfera de escape débil: cielo y telescopio

Una impresión artística de WASP-107b
Ilustración artística de WASP-107b, el primer planeta en el que los científicos descubrieron helio escapando de su atmósfera.
ESA/Huble/NASA/M. Kornmesser

Los planetas de baja densidad luchan por aferrarse a sus atmósferas cuando reciben una explosión de radiación de alta energía de una estrella anfitriona cercana. Nuevas observaciones han captado una vista de una de esas atmósferas que se escapan usando un poderoso marcador: helio.

Atmósfera en la carrera

Cuando un planeta orbita cerca de su estrella, la radiación ultravioleta entrante puede calentar e inflar la atmósfera del planeta, extendiéndola tanto que la atracción gravitacional del planeta ya no puede retenerla. La pérdida de masa que resulta de este proceso da forma dramática a la población de exoplanetas de período corto, por lo que comprender el escape atmosférico es fundamental para nuestra comprensión de la evolución planetaria.

El espectro de la atmósfera de un exoplaneta en tránsito
Cuando la luz de una estrella se filtra a través de la atmósfera de un planeta en su camino hacia la Tierra, la atmósfera absorbe ciertas longitudes de onda dependiendo de su composición.
Observatorio Europeo Austral

¡Pero medir la atmósfera que escapa de un planeta es un desafío! A grandes altitudes, la atmósfera es delgada y de baja presión, lo que significa que la mayoría de las firmas espectrales de esta masa que se escapa, producidas durante los tránsitos cuando la atmósfera planetaria absorbe la luz estelar de fondo, son débiles.

En 2018, sin embargo, un nuevo descubrimiento brindó algo de esperanza: la primera detección de helio en la atmósfera de un exoplaneta.

Dejar que el helio dirija

¿Por qué es útil el helio? Cuando un planeta de baja densidad recibe una lluvia de radiación ultravioleta extrema, esto puede producir una población de átomos de helio en la atmósfera superior del planeta que existen en un estado excitado de larga duración. Este helio metaestable absorbe fotones incluso a las bajas presiones que acompañan a las grandes altitudes, creando una característica de absorción prominente en la longitud de onda del infrarrojo cercano de 1.083 nm.

Al buscar esta línea de absorción, que, dado que cae en el infrarrojo, se puede observar incluso a través de la atmósfera de la Tierra utilizando telescopios terrestres, podemos sondear la atmósfera extendida de los planetas en tránsito cercanos, midiendo la masa de los planetas. perdiendo por escape atmosférico.

La curva de luz de tránsito y residuos para HAT-P-18b
Datos plegados y modelos de mejor ajuste que muestran la curva de luz de tránsito y los residuos para HAT-P-18b a 1083 nm (arriba) y la curva de luz de banda ancha correspondiente de TESS (abajo). La profundidad de tránsito en el paso de banda de helio supera a la del paso de banda TESS en aproximadamente la mitad de un porcentaje.
Adaptado de Paragas et al. 2021

Esta es precisamente la detección realizada en 2018 para el gigante gaseoso que orbita WASP-107, y ahora es lo que un equipo de científicos dirigido por la estudiante de la Universidad de Wesleyan, Kimberly Paragas, ha logrado hacer para el sistema similar, pero más débil, HAT-P-18.

Pérdida de un gigante

HAT-P-18 es una estrella de tipo K ubicada a unos 540 años luz de distancia. La estrella alberga un planeta gigante gaseoso, HAT-P-18b, en una órbita de tránsito cercana de solo 5,5 días. Aunque el planeta tiene aproximadamente el tamaño de Júpiter, contiene solo el 20% de la masa de Júpiter, lo que lo convierte en una densidad muy baja y un objetivo excelente para buscar una atmósfera que se escape.

Paragas y sus colaboradores observaron dos tránsitos de HAT-P-18b con el Telescopio Hale de 200” en el Observatorio Palomar en California, utilizando un filtro de banda ultraestrecha centrado en la línea de 1083 nm. En estas observaciones, el equipo detectó con éxito el exceso de absorción de helio que les permitió medir el escape de la atmósfera superior del planeta.

Al aplicar modelos de viento a estas observaciones, los autores muestran que HAT-P-18b está perdiendo menos del 2% de su masa cada mil millones de años.

HAT-P-18b es uno de los pocos planetas cuya atmósfera extendida se ha medido con helio, y es el más débil hasta el momento. Por lo tanto, este estudio demuestra la eficacia del uso de telescopios terrestres de tamaño mediano para estudiar planetas que se encuentran cerca de estrellas débiles, lo que brinda una valiosa oportunidad para aprender más sobre la evolución de esta población.

Citación

«Helio metaestable revela una atmósfera extendida para el gigante gaseoso HAT-P-18b», Kimberly Paragas et al 2021 ApJL 909 L10. doi:10.3847/2041-8213/abe706


Esta publicación apareció originalmente en AAS Novaque presenta los aspectos más destacados de la investigación de las revistas de la Sociedad Astronómica Estadounidense.


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