En los 30 años transcurridos desde que se reportaron por primera vez exoplanetas1los telescopios tienen reveló miles de ellos. Una de las cosas más sorprendentes de estos objetos, que orbitan alrededor de estrellas distintas de nuestro Sol, ha sido su diversidad: van desde planetas de lava abrasadora con atmósferas de roca vaporizada hasta mundos oceánicos, y algunos incluso podrían parecerse a la Tierra.
El Telescopio Espacial James Webb (JWST), que fue lanzado en 2021ha estado revolucionando nuestra comprensión de las atmósferas de estos planetas, mostrando detalles de nubes y neblina que antes eran insondables2. Los científicos están comenzando a aprender cómo los vientos y las turbulencias transportan compuestos en mundos más allá del Sistema Solar.3y estamos viendo procesos químicos que son diferentes a los que se encuentran en la Tierra.4.
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Estos conocimientos prometen decirnos más sobre cómo se forman los planetas y quizás sobre los orígenes de la vida. Pero muchos de los hallazgos, como los indicios de compuestos desconocidos, están resultando difíciles de entender.
La comunidad científica espacial necesita ayuda de científicos de otros campos para encontrar respuestas. En este sentido, pedimos colaboraciones más estrechas entre los investigadores de exoplanetas y quienes trabajan en la atmósfera de la Tierra y otras atmósferas planetarias, así como vínculos más fuertes entre experimentadores, modeladores y astrónomos.
Centrarse en la fotoquímica
Para comprender las moléculas y los procesos que intervienen en las atmósferas de los exoplanetas, es fundamental considerar la fotoquímica: reacciones químicas impulsadas por la luz de alta energía de las estrellas cercanas. Una de las primeras observaciones del JWST fue la de WASP-39 b, un gigante gaseoso caliente e hinchado del tamaño de Júpiter, que orbita una estrella similar al Sol a unos 215 pársecs (700 años luz) de distancia. El espectro electromagnético de su atmósfera reveló firmas claras de las moléculas que los astrónomos esperaban encontrar en dicho planeta, incluidos el dióxido de carbono y el agua. Pero una región opaca desconocida a una longitud de onda cercana a los 4 micrómetros los desconcertó.
Debido a que el conjunto de datos era de código abierto, cientos de astrónomos se unieron en 2022 en una frenética colaboración, alojada en la plataforma de mensajería Slack, para identificar las especies químicas responsables de esa región opaca. Se probaron decenas de posibilidades antes de que quedara claro que se trataba de dióxido de azufre. Esto fue sorprendente, ya que este compuesto debería ser raro en los gigantes gaseosos dominados por el hidrógeno.5. Sólo se encontró que un proceso genera dióxido de azufre en concentraciones suficientemente altas: la fotoquímica.
En el futuro se presentarán misterios similares. Los modeladores, trabajando estrechamente con químicos teóricos y experimentales, deben mejorar los modelos fotoquímicos utilizados para interpretar estos datos con precisión. Fundamentalmente, faltan datos completos sobre cómo las velocidades de reacción y las secciones transversales de absorción cambian con la temperatura y la presión para estas atmósferas exóticas, así como una falta de datos para moléculas que no son familiares para nuestra experiencia centrada en la Tierra.
El espejo dorado de 18 segmentos del telescopio espacial James Webb. Crédito: Desiree Stover/NASA
Haz que los modelos lleguen más lejos
Detectar una molécula particular en una atmósfera es insuficiente para deducir cómo se formó. Podría haber sido transportado desde las profundidades del interior del planeta, o muchos compuestos y vías químicas podrían haber conducido a su presencia, posiblemente a través de vías de reacción diferentes a las del Sistema Solar. Pero los modelos actuales se basan en la física y la química de los procesos que ocurren en planetas cercanos a nosotros, desde los gigantes gaseosos hasta los terrestres rocosos. Por lo tanto, los modelos podrían estar tergiversando, o omitiendo por completo, algunos procesos químicos o físicos que intervienen en las atmósferas de los exoplanetas.
Los factores físicos que necesitan estar mejor representados en los modelos incluyen el transporte y el intercambio de moléculas entre la atmósfera de un planeta y su superficie o interior. La forma en que gira un planeta (alrededor de su eje y alrededor de su estrella anfitriona) puede afectar su química atmosférica. Algunos exoplanetas, por ejemplo, orbitan su estrella anfitriona de tal manera que solo un lado está iluminado, lo que da como resultado un lado diurno permanente y cálido y un lado nocturno frío y permanente. Esto da una distribución de gases muy diferente a la que se encuentra en la Tierra. Mejores modelos numéricos mejorarán el marco global que describe el movimiento físico y la composición observable de estas atmósferas.
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Otra piedra angular de los modelos son los parámetros fotoquímicos, que también necesitan una cuidadosa observación. Representan cómo responden las moléculas a la radiación estelar entrante y cómo reaccionan entre sí: a través de qué reacciones y con qué velocidad. Para complicar más las cosas, estos parámetros pueden cambiar con la presión y la temperatura de la atmósfera. Los entornos atmosféricos de los exoplanetas observados actualmente difieren de los de los planetas del Sistema Solar y, por lo tanto, los modelos deben simular una amplia gama de temperaturas, presiones y condiciones químicas. Esto significa medir o calcular parámetros que representarán con mayor precisión lo que sucede en las atmósferas de los exoplanetas. Idealmente, los parámetros de reacción se calculan a partir de velocidades de reacción que se han medido en experimentos de laboratorio en condiciones relevantes para el planeta de interés, o a partir de simulaciones teóricas basadas en los primeros principios de la mecánica cuántica. Sin embargo, se conocen reacciones que carecen de parámetros (y, por lo tanto, los modelos suelen utilizar las mejores suposiciones) y probablemente una gran cantidad de reacciones que aún no se han descubierto.
Aquí proponemos dos vías, experimental y teórica, para ampliar el catálogo de reacciones y sus parámetros específicamente para exoplanetas.
Ampliar la investigación interdisciplinaria
La mayor parte de la investigación de laboratorio sobre las atmósferas de los exoplanetas se ha centrado en las firmas de absorción de luz de gases específicos como el óxido de titanio y la fosfina.6o sobre partículas de neblina, suspendidas en gas, que se producen a partir de una variedad de compuestos y pueden afectar la propagación de la radiación estelar. Los experimentos actuales se llevan a cabo en cámaras que pueden replicar el rango de temperaturas, presiones y composiciones químicas atmosféricas de exoplanetas observadas, utilizando lámparas o plasma para simular radiación estelar, llamaradas estelares o relámpagos.7.
Estos estudios muestran la diversidad y complejidad de los productos químicos que pueden generarse a partir de atmósferas análogas de exoplanetas muy simples y proporcionan parámetros ópticos para ayudar a interpretar las observaciones. Pero los modelos fotoquímicos se utilizan para predecir la composición química de las atmósferas aprovechando redes de reacción completas: conjuntos de cientos a miles de reacciones individuales que conectan diferentes moléculas entre sí. Los estudios de laboratorio actuales no han proporcionado la información cuantitativa necesaria para desarrollar redes de reacción para exoplanetas.
Para desarrollar esta capacidad, la comunidad de exoplanetas debe primero identificar las tecnologías de laboratorio necesarias para las mediciones que necesitan, y ya ha habido avances significativos.8,9. Para estudiar los parámetros de reacción, por ejemplo, lo ideal es que los científicos examinen moléculas específicas a medida que reaccionan y los productos que forman.
Los equipos de laboratorios que se especializan en química y combustión atmosférica terrestre pueden reutilizarse hasta cierto punto. El uso de reactores científicos de combustión y tubos de choque, junto con técnicas de detección espectroscópica o espectrométrica de masas, ampliaría inmediatamente los rangos de presiones y temperaturas que pueden estudiarse. Y en lugar del oxígeno, que abunda en la atmósfera de la Tierra, estas técnicas pueden adaptarse para estudiar el comportamiento de especies como los compuestos de azufre y el metano, que podrían ser más abundantes en otros lugares. De manera similar, ampliar la comunidad de usuarios de los laboratorios de ciencias de la Tierra para incluir a científicos de exoplanetas ayudaría a maximizar el retorno científico de esta costosa infraestructura. Sin embargo, a largo plazo, la investigación de exoplanetas necesita instalaciones específicas.
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También se necesitarán nuevas técnicas para medir moléculas o partículas objetivo exóticas específicamente para exoplanetas. La ciencia dependerá, por ejemplo, del propuesto Observatorio de Mundos Habitables, que se centrará en la radiación ultravioleta y del infrarrojo cercano, o del Gran Interferómetro de infrarrojo medio para exoplanetas. Estos conceptos complementarios de telescopios espaciales ayudarán a proporcionar los datos de observación mejorados necesarios para probar y limitar los modelos químicos y físicos de las atmósferas de los exoplanetas. Este ha sido el caso en otros campos, por ejemplo, con la técnica de imágenes de iones creada en las Instalaciones de Investigación de Combustión de Sandia National Laboratories en Livermore, California.10. La técnica registra la velocidad de las partículas cargadas que resultan de la rotura de una molécula por la luz o en una colisión, y se desarrolló originalmente para avanzar en nuestro conocimiento de la combustión. Las observaciones futuras podrían motivar desarrollos tecnológicos similares que proporcionarán parámetros precisos a nivel molecular para informar las redes de reacción utilizadas en los modelos fotoquímicos de la ciencia de los exoplanetas. Es más, el desarrollo de tecnologías para la investigación de exoplanetas beneficiaría en última instancia también a las comunidades de ciencias de la Tierra y de las ciencias de la combustión.
Utilice los primeros principios
Sin embargo, hay reacciones y moléculas que son demasiado difíciles o peligrosas para probarlas experimentalmente, incluso en entornos de laboratorio. Las presiones extremadamente altas y bajas de las atmósferas de los exoplanetas, o las reacciones que son muy lentas, pueden ser difíciles de estudiar debido a las limitaciones de los instrumentos utilizados. Para reacciones lentas, cambios mínimos en la concentración molecular pueden ser menores que el ruido aleatorio en la instrumentación; a bajas presiones, las densidades moleculares pueden estar por debajo del límite de detección.
En tales casos, los químicos pueden aplicar herramientas teóricas para calcular parámetros clave en una amplia gama de temperaturas y presiones. Con el aumento de la potencia informática y la integración de la inteligencia artificial, estos cálculos están mejorando rápidamente en términos de precisión y eficiencia.11. Sin embargo, las reacciones que involucran moléculas grandes o átomos pesados siguen siendo difíciles de predecir con precisión.
