El Telescopio Espacial Webb proporcionará detalles sobre dos ‘súper-Tierras’ intrigantes en la Vía Láctea

Exoplaneta 55 Cancri e y su estrella

Ilustración que muestra el aspecto que podría tener el exoplaneta 55 Cancri e, según la comprensión actual del planeta. 55 Cancri e es un planeta rocoso de casi el doble del diámetro de la Tierra y que orbita a solo 0,015 unidades astronómicas de su estrella similar al Sol. Debido a su órbita estrecha, el planeta es extremadamente caliente, con temperaturas diurnas que alcanzan los 4400 grados Fahrenheit (alrededor de 2400 grados Celsius). Las observaciones espectroscópicas utilizando la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam) y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) ayudarán a determinar si el planeta tiene o no una atmósfera y, de ser así, de qué se compone esta atmósfera. Las observaciones también ayudarán a determinar si el planeta está o no bloqueado por mareas. Crédito: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Los astrónomos entrenarán los espectrógrafos de alta precisión de Webb en dos intrigantes exoplanetas rocosos.

Imagínese si la Tierra estuviera mucho, mucho más cerca del Sol. Tan cerca que un año entero duraría solo unas pocas horas. Tan cerca que la gravedad ha bloqueado un hemisferio en la luz del día permanente y el otro en la oscuridad eterna. Tan cerca que los océanos están hirviendo, las rocas comienzan a derretirse y las nubes están arrojando lava.

Aunque no existe nada parecido en nuestro propio sistema solar, planetas como este, rocosos, del tamaño de la Tierra, extremadamente calientes y cercanos a sus estrellas, no son raros en el mundo.[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? Exoplanet LHS 3844 b and Its Star

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Comparison of Exoplanets 55 Cancri e and LHS 3844 b to Earth and Neptune

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] tiene la sensibilidad y el rango de longitud de onda para detectarlo y determinar de qué está hecho”, agregó Hu.

¿O llueve lava por la noche en 55 Cancri e?

Sin embargo, otra posibilidad intrigante es que 55 Cancri e no esté bloqueado por mareas. En cambio, puede ser como Mercurio, girando tres veces por cada dos órbitas (lo que se conoce como resonancia 3:2). Como resultado, el planeta tendría un ciclo día-noche.

“Eso podría explicar por qué la parte más caliente del planeta está cambiando”, dijo Alexis Brandeker, investigador de la Universidad de Estocolmo que dirige otro equipo que estudia el planeta. “Al igual que en la Tierra, la superficie tardaría un tiempo en calentarse. El momento más caluroso del día sería por la tarde, no solo al mediodía.

Espectro de emisión térmica del exoplaneta LHS 3844 b

Posible espectro de emisión térmica del exoplaneta súper-Tierra caliente LHS 3844 b, medido por el instrumento de infrarrojo medio de Webb. Un espectro de emisión térmica muestra la cantidad de luz de diferentes longitudes de onda infrarrojas (colores) emitida por el planeta. Los investigadores utilizan modelos informáticos para predecir cómo se verá el espectro de emisión térmica de un planeta asumiendo ciertas condiciones, como si hay una atmósfera y la composición de la superficie del planeta.
Esta simulación en particular asume que LHS 3844 b no tiene atmósfera y que el lado diurno está cubierto de basalto de roca volcánica oscura. (El basalto es la roca volcánica más común en nuestro sistema solar, que constituye islas volcánicas como Hawái y la mayor parte del suelo oceánico de la Tierra, así como gran parte de las superficies de la Luna y Marte).
A modo de comparación, la línea gris representa un espectro modelo de roca basáltica basado en mediciones de laboratorio. La línea rosa es el espectro del granito, la roca ígnea más común que se encuentra en los continentes de la Tierra. Los dos tipos de rocas tienen espectros muy diferentes porque están formados por diferentes minerales, que absorben y emiten diferentes cantidades de diferentes longitudes de onda de luz.
Una vez que Webb observe el planeta, los investigadores compararán el espectro real con los espectros modelados de varios tipos de rocas como estos para determinar de qué está hecha la superficie del planeta.
Créditos: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL)

El equipo de Brandeker planea probar esta hipótesis utilizando NIRCam para medir el calor emitido por el lado iluminado de 55 Cancri e durante cuatro órbitas diferentes. Si el planeta tiene una resonancia de 3:2, observarán cada hemisferio dos veces y deberían poder detectar cualquier diferencia entre los hemisferios.

En este escenario, la superficie se calentaría, se derretiría e incluso se vaporizaría durante el día, formando una atmósfera muy delgada que Webb podría detectar. Al anochecer, el vapor se enfriaba y se condensaba para formar gotas de lava que caían a la superficie y volvían a solidificarse al anochecer.

Super-Tierra LHS 3844 b un poco más fría

Mientras que 55 Cancri e proporcionará información sobre la geología exótica de un mundo cubierto de lava, LHS 3844 b ofrece una oportunidad única para analizar roca sólida en un[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

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