dimecres, 29 de setembre de 2021

Què podem esperar del JWST quant a la caracterització atmosfèrica d’exoplanetes?

Exoplanetologia: El proper 18 de desembre hi ha programat el llançament del James Webb Space Telescope (JWST). El JWST succeirà el Hubble Space Telescope (HST) com el més característic dels observatoris astronòmics orbitals. Daria Pidhorodetska, investigadora predoctoral de la University of California at Riverside, és la primera autora d’un article de simulació que vol servir per orientar l’ús de l’HST i del JWST vers la caracterització d’atmosferes de petits planetes. L’article, que apareix a The Astronomical Journal, posa com a banc de proves el sistema planetari de L 98-59, un estel nan M3V al voltant del qual orbiten tres petites planetes (en el sentit que tenen radis inferiors a 1,6 radis terrestres). Pidhorodetska et al. assenyalen la conveniència d’aquest sistema, per la lluminositat de l’estel L 98-59, i per la seva relativa proximitat (10,6 parsecs). En el seu article, Pidhorodetska fan simulacions d’espectroscòpia de transmissió assumint unes atmosferes planetàries dominades per gas hidrogen (H2), vapor d’aigua (H2O), diòxid de carboni (CO2) i dioxigen (O2). Amb l’HST seria possible detectar en un trànsit la presència de H2O i CH4 en els dos planetes més exteriors, a condició que fos una atmosfera de baix pes molecular mitjà. En el cas del JWST/NIRISS, la detecció de H2O seria accessible fins i tot en atmosferes de pes molecular mitjà més elevat.

Simulació de la detecció de dioxigen i d’ozó en l’atmosfera d’un exoplaneta pel JWST

Els trànsits com a oportunitat per a caracteritzar atmosferes exoplanetàries

La majoria dels milers d’exoplanetes coneguts s’han detectat a través del mètode de trànsit, és a dir que s’infereix l’existència d’un planeta per la caiguda periòdica de la lluminositat de l’estel corresponent com a conseqüència del pas del planeta per damunt del disc estel·lar des de la perspectiva de la Terra. Les missions Kepler i K2 han estat especialment fructíferes, però també cal esmentar les aportacions de TRAPPIST-1 o de TESS.

La majoria d’exoplanetes coneguts orbiten al voltant d’estels nans de tipus espectral M, per la senzilla raó que aquest és el tipus més abundant d’estel en l’univers.

En el marc de la missió TESS, es detectà que l’estel catalogat com a L 98-59, situat a uns 10,6 parsecs del nostre Sistema Solar, comptaria, si més no, amb tres planetes. Aquests tres planetes, detectats per TESS mitjançant el mètode de trànsit, han estat confirmats per observacions de telescopis superficials i anàlisis estatístiques.

L 98-59 és un estel de tipus espectral M3V, amb una massa un 31% de la del nostre Sol (i un percentatge similar de radi). La temperatura superficial seria de 3400 K, i s’estima que tindria una antiguitat de més de 1000 milions d’anys.

Dels sistemes multiplanetaris coneguts, únicament HD 219134 és més a prop del nostre Sistema Solar que L 98-59. Els tres planetes identificats tenen períodes orbitals de 2,25; 3,69 i 7,45 dies. D’acord amb els estudis de velocitat radial fets amb el HARPS, L 98-59 c tindria una massa 2,42 vegades la de la Terra i L 98-59 d de 2,31. Pel que fa al planeta més interior, L 98-59 b, seria probablement més petit que la Terra.

Els tres planetes coneguts del sistema L 98-59 es trobarien més enllà de la zona d’habitabilitat. Podrien ser anàlegs de Venus.

Diagrama que mostra la relació entre la velocitat d’escapament gravitatori d’un planeta i el flux estel·lar efectiu. Els planetes situats en la part superior esquerra perden completament l’atmosfera, i els de la part inferior dreta la retenen.

Una sèrie de simulacions

Pidhorodetska et al. utilitzen el Planetary Spectrum Generator (PSG) bo i suposant diverses composicions de les atmosferes de L 98-59 b, c i d. Es contemplen escenaris d’efecte hivernacle disparat, de dessecament i de pèrdua d’atmosfera, així com de presència d’aerosols.

L’atmosfera planetària es faria visible a l’instrumental d’HST i de JWST durant cada trànsit.

És interessant veure quines quatre atmosferes consideren Pidhorodetska et al.:
- 1. atmosfera predominantment d’hidrogen (H2).
- 2. atmosfera predominantment de vapor d’aigua (H2O).
- 3. atmosfera resultant d’un efecte hivernacle disparat, amb predomini de CO2.
- 4. atmosfera dessecada rica en O2 d’origen abiòtic.

Els aerosols contemplats poden ésser tolines de l’estil de Titan o núvol d’àcid sulfúric com els de Venus.

La simulació té en compte la sensibilitat i precisió dels instruments de l’HST i del projectat JWST. Com més sensibilitat, menys nombre de trànsits seran necessaris per acumular evidència d’una determinada característica atmosfèrica. Els estudis exoatmosfèrics fets amb l’HST s’han centrat especialment en la línia de vapor d’aigua de 1,4 μm de longitud d’ona.

El treball previst de JWST amb L 98-59

Entre les observacions previstes del JWST hi ha els trànsits de L 98-59, concretament de L 98-59 c (1 trànsit) i L 98-59 d (2 trànsits). Les simulacions de Pidhorodetska et al. ens ajuden a entendre què podem esperar d’aquestes futures observacions. Probablement, una caracterització atmosfèrica requerirà l’acumulació d’observacions corresponents a més de sis trànsits.

Lligams:

- L 98-59: A Benchmark System of Small Planets for Future Atmospheric Characterization. Daria Pidhorodetska, Sarah E. Moran, Edward W. Schwieterman, Thomas Barclay, Thomas J. Fauchez, Nikole K. Lewis, Elisa V. Quintana, Geronimo L. Villanueva, Shawn D. Domagal-Goldman, Joshua E. Schlieder, Emily A. Gilbert, Stephen R. Kane, Veselin B. Kostov. The Astronomical Journal 162: 169 (2021).