Así nació WASP-121b, el planeta donde llueven zafiros y rubíes

Ahora, una serie de observaciones llevadas a cabo con el Telescopio Espacial James Webb por un equipo de investigadores dirigido por los astrónomos Thomas Evans-Soma y Cyril Gapp, del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, han proporcionado nuevas y valiosas pistas sobre los orígenes de este mundo extremo. El trabajo se acaba de publicar en 'Nature Astronomy'.

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Gracias a la potencia y sensibilidad del telescopio espacial, los investigadores lograron identificar en la atmósfera de WASP-121b una serie de moléculas clave como vapor de agua, monóxido de carbono, monóxido de silicio y, sorprendentemente, metano. Lo cual les permitió, como si de una huella dactilar se tratara, reconstruir su composición química y, a partir de ella, inferir cómo y dónde se formó.

«Los materiales gaseosos -explica Cyril Gapp- son más fáciles de identificar que los líquidos y los sólidos. Dado que muchos compuestos químicos están presentes en forma gaseosa, los astrónomos usan WASP-121b como un laboratorio natural para sondear las propiedades de la atmósfera planetaria».

Uno de los principales hallazgos fue que, con toda probabilidad, WASP-121b nació en una región muy diferente de la que ocupa ahora. Los datos, de hecho, sugieren que acumuló la mayor parte de su gas en una zona lo suficientemente fría como para que el agua permaneciera congelada, pero lo suficientemente cálida como para que el metano se evaporara y existiera en forma gaseosa. En nuestro propio Sistema Solar, estas mismas condiciones solo se dan entre las órbitas de Júpiter y Urano, es decir, en las regiones exteriores y frías.

En otras palabras, WASP-121b no se formó tan cerca de su estrella como lo está hoy sino que, tras su nacimiento, emprendió un largo y peligroso viaje desde los gélidos confines de su sistema planetario hasta el abrasador centro del mismo. Este tipo de migración planetaria no es un concepto nuevo en la astronomía. De hecho, distintos modelos sugieren que los planetas gigantes pueden formarse lejos de sus estrellas y luego desplazarse hacia dentro debido a la interacción con el disco de gas y polvo protoplanetario. Algo que el trabajo de Evans-Soma y Gapp parece confirmar ahora.

En general, los planetas se crean a partir del material 'sobrante' de la formación de su estrella. Material que, atraído por la gravedad del astro recién nacido, forma un anillo (llamado disco protoplanetario) a su alrededor. Todo empieza con diminutas partículas de polvo helado que se unen y crecen gradualmente, hasta formar guijarros de centímetros, pero también de metros. Estas 'piezas' primordiales actúan como imanes, atrayendo el gas circundante y partículas más pequeñas, lo que acelera su crecimiento. Son los 'planetesimales', las semillas de futuros planetas.

A medida que estos guijarros crecen, la fricción con el gas circundante los hace moverse en espiral hacia el interior, hacia la estrella. Durante esa migración, los hielos que contienen comienzan a evaporarse en las regiones más cálidas del disco. En el caso de WASP-121b, los científicos creen que este proceso se detuvo en un punto en el que los guijarros de metano se evaporaron, enriqueciendo con carbono el gas que el planeta seguía acumulando. Sin embargo, los guijarros de agua permanecieron congelados, manteniendo el oxígeno 'atrapado'.

Este escenario resulta clave para explicar por qué los investigadores observaron una proporción de carbono a oxígeno más alta en la atmósfera de WASP-121b que en su propia estrella. El planeta, sostienen, siguió atrayendo gas rico en carbono después de haber 'limpiado' su órbita de guijarros sólidos, lo que definió la composición final de su envoltura atmosférica.

Para llegar a sus conclusiones, los investigadores utilizaron la citada abundancia de carbono, oxígeno y silicio en la atmósfera de WASP-121b, lo que les permitió entender mejor la dinámica del planeta. El silicio, por ejemplo, se detectó en forma de monóxido de silicio (SiO) gaseoso, aunque originalmente llegó al planeta a través de materiales rocosos, como el cuarzo, que abundaba en el interior del disco de materiales que rodeó la estrella al nacer, dentro de pequeños cuerpos llamados planetesimales (esencialmente asteroides). Lo cual indica que WASP-121b no solo se formó con gas, sino que en sus orígenes también incorporó material rocoso. En palabras de Evans-Soma. «las abundancias relativas de carbono, oxígeno y silicio ofrecen información sobre cómo se formó este planeta y adquirió su material».

Otro hallazgo sorprendente fue la detección de metano en el lado nocturno de WASP-121b. A las temperaturas extremadamente altas de la cara diurna, el metano es muy inestable, por lo que debería estar presente en cantidades muy pequeñas. Por eso, los astrónomos esperaban que, incluso en el lado nocturno, más frío, la mezcla rápida de gas del lado diurno caliente impidiera la acumulación significativa de metano. Pero en vez de eso se encontraron, en el lado nocturno, con grandes cantidades de metano, lo que fue una completa sorpresa.

Para aclarar el enigma, y mantener su abundancia en la cara nocturna, es necesario que el gas metano tenga algún modo de reponerse rápidamente. Y solo hay una cosa capaz de conseguirlo: la existencia de fuertes corrientes de vientos verticales que elevan el gas metano desde capas atmosféricas más bajas. Las capas más profundas, de hecho, contienen mucho más metano gracias a las temperaturas relativamente bajas del lado nocturno y a la alta proporción de carbono a oxígeno en la atmósfera.

«Todo esto -explica Evans-Soma- desafía los modelos dinámicos de exoplanetas, que probablemente deberán adaptarse para reproducir la fuerte mezcla vertical que hemos descubierto en el lado nocturno de WASP-121b». Un descubrimiento que subraya la complejidad de las atmósferas de los exoplanetas y la necesidad de modelos más sofisticados para comprender su comportamiento.

Para su trabajo, los investigadores observaron WASP-121b durante una órbita completa alrededor de su estrella. A medida que el planeta gira sobre su eje, la radiación térmica que recibe varía, exponiendo diferentes partes de su atmósfera al telescopio. Esto permitió a los científicos caracterizar las condiciones y la composición química de ambos lados del planeta, tanto el diurno como el nocturno.

Además, los astrónomos también capturaron observaciones del tránsito del planeta (su paso por delante de su estrella). Mientras transita, en efecto, parte de la luz estelar se filtra a través de la atmósfera del propio planeta, dejando «huellas dactilares» espectrales que revelan su composición química. Este tipo de medición es especialmente sensible a la región de transición, donde se mezclan los gases del lado diurno y nocturno. «El espectro de transmisión emergente -señala Gapp- confirmó las detecciones de monóxido de silicio, monóxido de carbono y agua que hicimos con los datos de emisión. Sin embargo, no pudimos encontrar metano en la zona de transición entre el día y la noche».

En conjunto, los hallazgos sobre WASP-12b no solo nos hablan de ese planeta, sino que revelan mecanismos insospechados y que cambian nuestra concepción misma de cómo los planetas, en general, se forman. Y, por otro lado, refuerza la idea de que, después de formarse, los planetas pueden recorrer grandes distancias antes de encontrar su órbita definitiva, lo que desafía la visión tradicional de que se forman y permanecen en sus ubicaciones originales.