La detecció de vapor d’aigua en la super-terra K2-18 b amb el telescopi Hubble

Exoplanetologia: La publicació a la revista Nature Astronomy de la detecció per part d’Angelos Tsiaras et al. de vapor d’aigua en l’atmosfera d’una super-terra (K2-18 b, vuit vegades més massiva que el nostre planeta) situada en la “zona habitable” d’un estel de tipus espectral M (K2-18, un nan vermell), ha estat seguida notablement per la premsa, i fins i tot a XKCD s’ha publicat una tira paròdica. L’aigua, H2O, és al capdavall una de les molècules més abundants de l’univers. I ja fa anys que és possible fer observacions de l’atmosfera de “Júpiters calents”, és a dir de planetes gegants gasosos que segueixen òrbites molt tancades al voltant del seu estel. Fet i fet, després de l’hidrogen (H2), l’aigua és l’espècie molecular més abundant en les atmosferes d’aquests planetes. En termes generals, l’aigua és la principal espècie molecular que conté oxigen, i ja només per això fer estimacions qualitatives i quantitatives de la presència de vapor d’aigua en una atmosfera planetària ens aporta informacions sobre l’origen i evolució del planeta. En el cas dels planetes terrestres, la presència de vapor d’aigua en l’atmosfera seria un indicador d’habitabilitat, més enllà del càlcul d’habitabilitat que deriva del nivell d’irradiació estel·lar d’acord amb la distància a l’estel i l’emissió energètica d’aquest estel. Però els planetes terrestres són més petits que els jovians, i en general més freds que els “jovians calents” quan es troben en la “zona d’habitabilitat”, i tot plegat fa que fins ara no s’hagués detectat cap senyal espectral de l’atmosfera d’aquests planetes. I és aquí on entra l’article de Tsiaras et al. Hom defineix una “super-terra” com un planeta que té una massa inferior a 6·1025 (= 10 masses terrestres). Les super-terres que orbiten al voltant d’estels de tipus espectral M serien l’objectiu més accessible a observacions espectroscòpiques durant els seus trànsits. L’estel catalogat com a EPIC 201912552, o com a K2-18, és un nan vermell situat a 124 anys-llum de la Terra, en la constel·lació del Lleó. En el marc de les observacions del telescopi espacial Kepler, en el 2015, s’identificà en aquest estel un trànsit planetari: el planeta fou catalogat com a K2-18 b, i en el 2017 el telescopi espacial Spitzer el confirmà com un planeta amb un període orbital de 33 dies, i situat en la zona habitable teòrica del seu sistema estel·lar. Ara, Tsiaras et al., utilitzant la Wide Field Camera 3 del Telescopi Espacial Hubble, comuniquen la detecció d’una signatura espectroscòpia d’aigua en l’atmosfera d’aquest planeta amb un alt nivell de confiança estatística. Els càlculs de pes molecular mitjà indiquen que en l’atmosfera de K2-18 b, a més de vapor d’aigua, i hi hauria presència de gas hidrogen. Una super-terra és un planeta que ens mou a la imaginació, perquè el nostre Sistema Solar no hi ha cap planeta que tingui una massa intermèdia entre la Terra i Urà. Però també captura la nostra imaginació un estel de tipus M, d’activitat molt més extrema i irregular que la del nostre Sol. Per exòtic que sigui el planeta K2-18 b, aquestes dades de composició atmosfèrica, ajuden a imaginar una mica millor la natura de les super-terres més massives.

Observacions prèvies d’atmosferes de super-terres

Angelos Tsiaras, Ingo P. Waldmann, Giovanna Tinetti, Jonathan Tennyson i Sergey N. Yurckenko, del Departament of Physics & Astronomy, del University College London, treuen partit de la WFC3 del Telescopi Espacial Hubble, que amb l’estratègia observacional d’escaneig espacial és capaç de caracteritzat les atmosferes de super-terres. Fins ara, diversos grups han aconseguit els espectres de tres planetes amb radis inferiors a 3 radis terrestres mentre es trobaven en trànsit dels estels respectius: GJ-1214 b, HD97658 b i 55 Cnc e. En el cas de GJ-1214 b i HD97658 b, l’absència de modulació indicava una atmosfera impenetrable per densos núvols, o bé la presència d’espècies moleculars pesants. L’espectre de 55 Cnc e semblava indicar una atmosfera lleugera i primitiva, potser amb presència d’hidrogen i heli.

També s’han fet observacions dels trànsits planetaris de l’estel TRAPPIST-1, corresponents a sis dels seus planetes, però no s’ha pogut destriar cap signatura molecular, bé sigui per la presència de núvols o per ésser atmosferes amb gasos relativament pesants.

K2-18 i K2-18 b

K2-18 és un estel de tipus espectral M2,5, amb una temperatura superficial de vora 3500 K. És un estel nan, amb una massa del 36% de la del nostre sol, i un radi del 41%. Es troba a uns 34 parsecs, en la direcció de la constel·lació del Lleó.

K2-18 b orbita a una distància de l’estel de 0,1429 unitats astronòmiques. Hom calcula que la zona habitable d’aquest sistema planetari va de 0,12 a 0,25 unitats astronòmiques. Sense més detalls, hom calcularia una temperatura superficial mitjana de K2-18 b entre 200 i 320 K.

K2-18 b és una super-terra, amb una massa 8 vegades superior a la del nostre planeta. Hom li calcula un radi 2,3 vegades superior al de la Terra, de forma que tindria una densitat de vora 3 kg·m-3.

Vuit trànsits de K2-18b observats amb la càmera WFC3 del Telescopi Hubble

Tsiaras et al. han analitzat vuit trànsits de K2-18 b. L’anàlisi indica amb un elevat grau de confiança la detecció d’una atmosfera. Alhora, també han refinat el càlcul del període orbital d’aquest planeta, que seria de 32,94 dies.

Per fer l’anàlisi dels espectres, Tsiaras et al. modelaren l’atmosfera planetària considerant els següents gasos: H2O, CO, CO2, CH4 i NJ3. En comparar aquesta modelació amb les dades obtingudes, tan sols es detectava amb un alt nivell de confiança la signatura corresponent al vapor d’aigua.

Seguidament, feren una segona ronda de modelacions, ara considerant tres escenaris:
1.- una atmosfera sense núvols que contingués únicament H2O, H2 i He.
2. una atmosfera sense núvols que contingués únicament H2O, H2, He i N2.
3. una atmosfera amb núvols que contingués únicament H2O, H2 i He.

Dels tres escenaris, el que presentava una major afinitat amb les observacions era el primer, seguit del segon. Tsiaras et al. no poden discriminar entre els dos models, de manera que poden oferir una quantificació del vapor d’aigua en l’atmosfera. Sí que afirmen que en l’atmosfera hi ha encara una fracció gens negligible de gasos lleugers (H, He). Tampoc no descarten la presència en forma de traça d’altres gasos més pesants.

Un objectiu per al James Webb Space Telescope i per l’ARIEL

Tsiaras et al. consideren que K2-18 b seria un dels objectius més interessants per a futurs telescopis orbitals, com són el James Webb Space Telescope o l’ARIEL de l’ESA. Aquests telescopis aprofundirien en la caracterització de l’atmosfera, detectant la presència d’altres espècies moleculars i estimant les condicions de temperatura i pressió.

Lligams:

Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b. Angelos Tsiaras, Ingo P. Waldmann, Giovanna Tinetti, Jonathan Tennyson & Sergey N. Yurchenko. Nature Astronomy (2019)

Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada