Las primeras imágenes de exoplanetas de JWST pronostican un futuro brillante

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha tomado sus primeras imágenes directas de un planeta que orbita una estrella distante. El planeta, conocido como HIP 65426 b, es un gigante gaseoso varias veces más masivo que Júpiter, que gira alrededor de su estrella a una distancia que es unas tres veces mayor que la separación entre Neptuno y nuestro sol. HIP 65426 b tiene solo alrededor de 15 millones de años, un recién nacido en términos astronómicos, y aproximadamente a 350 años luz de la Tierra.

Es posible que no esté impresionado por el nivel de detalle de estas nuevas fotografías planetarias, pero los investigadores que tomaron las imágenes ciertamente lo estaban. Cuando llegaron los resultados, “tenía que asegurarme de que no estaba mirando una imagen simulada”, dice Sasha Hinkley, profesora de astrofísica en la Universidad de Exeter en Inglaterra, quien ayudó a dirigir el estudio. “Parecía las imágenes modelo de cuando escribimos nuestra propuesta hace cinco años”.

Las imágenes de HIP 65426 b revelan que JWST está superando las expectativas para sus estudios de exoplanetas, que son una de las cuatro áreas centrales de investigación del telescopio. Esto significa que los intentos programados de JWST para observar otros exoplanetas probablemente serán incluso más exitosos de lo que los investigadores esperaban y que los astrónomos pueden ser aún más ambiciosos al presentar propuestas a la junta directiva de JWST en futuros ciclos de investigación.

JWST no es el primer telescopio que toma fotografías directas de exoplanetas, pero ya está demostrando ser el mejor. Hinkley ha visto evolucionar el campo: ha estado trabajando en imágenes de exoplanetas durante casi 20 años. “Estaba realmente intrigado por los desafíos técnicos de esta investigación: tener que bloquear estas estrellas anfitrionas increíblemente brillantes, que son 10 000 o un millón de veces más brillantes que los tenues planetas que las orbitan”, dice.

Tal hazaña parece casi imposible, como ver una luciérnaga que brilla tenuemente revoloteando bajo una luz brillante del estadio desde su asiento al otro lado del campo. Y, sin embargo, con la técnica adecuada, se pueden revelar exoplanetas.

“Podemos ir y observar una estrella cercana que tenga propiedades similares a la estrella objetivo”, dice la coautora del estudio Aarynn Carter, investigadora postdoctoral en la Universidad de California, Santa Cruz, quien dirigió el análisis para esta imagen de exoplanetas. “Entonces, esencialmente podemos construir una plantilla de cómo se ve la luz de las estrellas y restarla para dejar solo el planeta”.

Eso suena engañosamente simple, pero muchas cosas deben salir bien para que este método tenga éxito. Y en este caso, salieron bien, incluso más de lo que Carter y Hinkley habían planeado.

La sensibilidad de imagen de JWST resultó ser incluso mayor de lo previsto. Su coronógrafo avanzado logró bloquear la mayoría de la luz de la estrella anfitriona. Y quizás lo más importante para este estudio en particular, JWST se mantuvo increíblemente estable al tomar sus observaciones. La estabilidad es crucial para obtener una plantilla limpia de luz estelar de una segunda estrella para restarla de la primera.

“Lo que vimos es que James Webb es tan increíblemente estable que el [starlight] por lo tanto, el patrón es estable de estrella a estrella”, dice Hinkley. “Y esto se debe realmente al increíble trabajo que han realizado literalmente miles de científicos, técnicos e ingenieros durante los últimos 20 años en todo el mundo”.

Charles Beichman, director del Instituto de Ciencias de Exoplanetas de la NASA, ayudó a desarrollar los instrumentos de investigación JWST que Hinkley y Carter usaron en sus imágenes. “Cuando lanzas algo”, dice, “lo creas según un conjunto de requisitos. Y luego tienes un conjunto de lo que llamamos ‘deseos’”.

Gracias a las últimas imágenes de exoplanetas, ahora está claro que los instrumentos de JWST están cumpliendo los deseos de todos. “Tienes imágenes más ajustadas; tienes menos nerviosismo; los detectores funcionan un poco mejor”, dice Beichman. Debido a su nivel comprobado de sensibilidad y estabilidad, JWST tiene el potencial de observar directamente exoplanetas mucho más pequeños que cualquier otro telescopio en el pasado, incluso más pequeños de lo que los investigadores esperaban.

Esas son excelentes noticias para estudios futuros, incluido uno que será dirigido por Beichman entre julio y agosto de 2023 que utilizará imágenes directas para buscar planetas dentro de nuestro sistema estelar más cercano, Alpha Centauri.

Hasta ahora, los astrónomos solo han logrado fotografiar exoplanetas varias veces más grandes que Júpiter y que orbitan muy lejos de sus estrellas. “Pero lo que ahora sabemos a partir de estas observaciones es que James Webb probablemente nos llevará a los análogos de nuestro propio Saturno o tal vez a nuestro propio Neptuno para las estrellas más cercanas”, dice Hinkley.

Sebastian Marino, un investigador de astronomía en el Jesus College de la Universidad de Cambridge, es uno de los posibles beneficiarios del rendimiento superior al esperado de JWST. Entre los próximos abril y junio, Marino y sus colegas planean observar estrellas que están rodeadas por amplios discos de escombros que se asemejan a versiones gigantescas de los anillos de Saturno. El equipo de Marino se centrará en unos pocos discos particulares que tienen huecos notables, trabajando bajo la hipótesis de que los exoplanetas aún no detectados son responsables de “tallar” estos huecos mientras orbitan alrededor de sus estrellas anfitrionas.

Basado en el ancho de los espacios, Marino predice que estos exoplanetas (si existen) tienen aproximadamente la misma masa que Saturno o Neptuno. Si bien detectarlos comenzó como un objetivo ambicioso, los últimos resultados de imágenes indican que JWST es capaz de detectar planetas de esos mismos tamaños, como señala Hinkley.

“El hecho de que esté funcionando mejor de lo que pensábamos es realmente alentador”, dice Marino. E incluso si JWST no encuentra los exoplanetas que espera, Marino se alegra de que el telescopio pueda confirmar que esos planetas no existen. (Un aspecto importante pero que a menudo se pasa por alto de la búsqueda de planetas es saber cuándo dejar de buscar mundos alrededor de una estrella determinada). búsqueda.

Las últimas imágenes de exoplanetas también son un buen augurio para Elisabeth Matthews, investigadora postdoctoral de la Universidad de Ginebra. “Para mi propio programa, es validador ver que el instrumento realmente funcionará tan bien como esperábamos cuando diseñamos el programa”, dice Matthews.

Entre abril y mayo de 2023, Matthews usará JWST para observar una estrella cercana con un planeta: Epsilon Indi A, a solo 12 años luz de distancia. El exoplaneta de esa estrella, Epsilon Indi Ab, solo se conoce a través del sutil bamboleo gravitatorio que su volumen induce en la estrella. Nadie ha visto nunca directamente este planeta, pero las mejores estimaciones de los astrónomos sugieren que debe ser bastante frío, lo que significa que es bastante antiguo. Se cree que los exoplanetas gigantes nacen calientes, irradiando inmensas cantidades de energía térmica residual de su creación reciente. (La mancha planetaria brillante que se ve en las imágenes infrarrojas de HIP 65426 b de JWST es principalmente energía térmica emitida por el propio planeta, no luz que se refleja en la parte superior de sus nubes).

Los planetas más viejos y más fríos generalmente han sido demasiado débiles para fotografiarlos, ahogados por la brillante luz de sus estrellas anfitrionas. Por lo tanto, el plan de Matthews para obtener imágenes de un planeta más maduro es un desafío, pero el desempeño reciente de JWST sugiere que ciertamente debería ser posible. Matthews dice que diseñó su estudio para tomar la cantidad mínima de tiempo necesaria para poder producir una imagen planetaria, pero ahora está aún más segura de que tendrá éxito en ese marco de tiempo porque la sensibilidad mayor a la esperada de JWST es similar a ser concede más tiempo de observación.

Es demasiado tarde para cambiar fácilmente los planes para las observaciones inaugurales del “Ciclo 1” de JWST para capitalizar su rendimiento de imágenes de alto contraste mayor de lo previsto, pero estos primeros resultados sin duda harán que los astrónomos tengan más confianza al planificar futuras investigaciones. Tanto Marino como Matthews sugieren que podrían establecer objetivos de investigación más audaces la próxima vez. Las propuestas de investigación para el segundo ciclo de observaciones del JWST deberán presentarse a finales de enero.

Antes de eso, Sasha Hinkley planea llegar a la comunidad astronómica con consejos sobre cómo aprovechar al máximo JWST en función de la comprensión actualizada de sus capacidades por parte de su equipo. “Esperamos que nuestras recomendaciones permitan a la comunidad presentar el conjunto de propuestas más sólido posible para hacer estas observaciones”, dice Hinkley.

En futuros ciclos de investigación, los objetivos que se consideraron demasiado pequeños o distantes para observar podrían considerarse al alcance. Y, en última instancia, el trabajo superlativo de imágenes de exoplanetas de JWST debería ayudar a guiar los esfuerzos para desarrollar observatorios aún más ambiciosos que puedan fotografiar no solo gigantes gaseosos, sino también objetivos que son mucho más pequeños y débiles: mundos potencialmente habitables, más parecidos a la Tierra.

“Las propuestas que decían ‘Vaya, será una suerte si podemos hacer eso’ entran en el ámbito de ‘Sí, deberíamos poder hacer eso’”, dice Beichman. “Y un nuevo conjunto de cosas que decían ‘No hay forma de que podamos hacer eso’ ingresa al reino de ‘Sí, tenemos una oportunidad de lograrlo'”.