¿Cómo afectarán las nubes de los exoplanetas al telescopio James Webb? En 2021, si no se retrasa más, entrará en funcionamiento, y podrá ayudar a entender las atmósferas de los exoplanetas que podrían ser potencialmente habitables. Aunque no será fácil…

Las nubes de los exoplanetas habitables

El telescopio James Webb es, probablemente, uno de los más esperados de los últimos tiempos. Será el sucesor del telescopio Hubble pero, en muchos sentidos, también de muchos otros telescopios. Su capacidad de observación no se utilizará solo para investigar los grandes misterios del universo. También para la observación de exoplanetas potencialmente habitables, en un intento de entender cómo son sus atmósferas. Será el primer telescopio que podrá llevar a cabo ese tipo de análisis, hasta ahora solo posible en exoplanetas masivos.

las nubes de exoplanetas (y el telescopio James Webb)
Recreación de un atardecer en el exoplaneta Gliese 667Cc. Crédito: ESO/L. Calçada

Sin embargo, un grupo de investigadores ha determinado que, a pesar de que el telescopio James Webb será capaz de observar las atmósferas de esos exoplanetas, habrá excepciones. En aquellos casos en los que las atmósferas sean muy densas, podría haber grandes extensiones de nubes. Eso podría dificultar notablemente la recolección de datos que podría llevar a cabo el telescopio. Todo tiene que ver con la técnica usada para detectar exoplanetas, el método de tránsito, que tan fructífero ha sido.

Consiste, simplemente, en observar la luz de una estrella y buscar caídas en su brillo. Ese fenómeno podría ser el producto del paso de un objeto por delante, desde la perspectiva de la Tierra. Así se ha detectado la inmensa mayoría de exoplanetas que conocemos. Y, además, en algunos casos, se ha determinado la composición de su atmósfera. La luz de la estrella atraviesa su atmósfera y permite analizar los elementos químicos que podrían contener. Pero es algo que solo se ha podido llevar a cabo con los planetas más masivos.

El análisis de los exoplanetas rocosos

Aquí es donde entra en escena el telescopio James Webb. Su mayor definición, y su capacidad de observar en el espectro infrarrojo, le capacita para poder observar las atmósferas de exoplanetas de una forma que, hasta ahora, no era posible. Pero, ¿cuáles podrían ser sus limitaciones y desafíos? Con el telescopio se podrá detectar la presencia de oxígeno, dióxido de carbono, metano y otros elementos, como el agua. La presencia de vapor de agua, en una atmósfera, sería una gran señal en favor de la habitabilidad.

La luz de la estrella, al pasar por la atmósfera de un planeta, permite detectar la composición de esta última. Crédito: ESO

Pero es posible que un exoplaneta, con una gran cantidad de agua en superficie, tenga también una gran cantidad de nubes en su atmósfera. Con esto en mente, un grupo de investigadores ha intentado determinar si esas nubes podrían ser un impedimento para el estudio de los exoplanetas. Cabe la posibilidad de que impidiesen la detección de ese vapor de agua. Teniendo en cuenta, además, que se ha descubierto un buen puñado de mundos rocosos alrededor de enanas rojas, la pregunta es muy importante.

Por un lado, porque orbitan en torno a las estrellas más frecuentes del universo. Por otro, porque determinar si podrían ser habitables afectará, profundamente, a nuestra percepción de la abundancia de la vida en el cosmos. Además, su tamaño también presenta otras ventajas. Las enanas rojas son estrellas muy pequeñas, por lo que el tránsito de estos planetas es más fácil de analizar. Cuanto más pequeña sea la estrella, más fácil es poder analizar los datos de la atmósfera de un exoplaneta rocoso que pase por delante.

El dilema de la zona habitable

Además, estos mundos se encuentran en la zona habitable de sus estrellas. Es decir, en teoría, podrían reunir las condiciones necesarias para tener agua líquida en su superficie. El telescopio James Webb contribuirá a poder determinar si la tendrían. Sin embargo, para saber hasta qué punto este análisis podría llevarse a cabo, o las nubes de los exoplanetas podrían ser un impedimento, los investigadores tuvieron que ponerse manos a la obra. Recurrieron a dos modelos que simulaban espectros de este tipo de mundos rocosos.

Con el primero de ellos, ExoCAM, simularon las atmósferas de esos posibles exoplanetas. Con el segundo, el Planetary Spectrum Generator, simularon cómo sería el espectro de luz que observaría el telescopio James Webb. Los resultados indican que los exoplanetas alrededor de enanas rojas podrían ser muy nubosos. Mucho más nubosos, de hecho, que la Tierra. Cabe recordar que estos exoplanetas están en rotación síncrona. Es decir, tardan tanto en dar una vuelta sobre sí mismos como alrededor de su estrella.

Así que su mismo hemisferio apunta siempre hacia la estrella. En ese hemisferio diurno, el clima sería similar al de los trópicos de la Tierra, permitiendo que el vapor de agua pudiese condensarse y formar nubes, que cubrirían la mayor parte del hemisferio iluminado. Con la ayuda de los dos modelos, los investigadores simularon planetas con y sin una capa de nubes. Así, podrían determinar qué podría detectar el telescopio James Webb en cada caso. El resultado es interesante, y no necesariamente para bien.

Las nubes en los exoplanetas serían una dificultad más

En el caso de los planetas con nubosidad, el telescopio James Webb podría detectar el vapor de agua en la atmósfera. Algo que, en el caso de exoplanetas con un tamaño similar al de la Tierra, o inferior, podría hacerse en menos de diez tránsitos. Según explican los investigadores, al incluir el efecto de las nubes de los exoplanetas, la cantidad de tránsitos que necesita el telescopio James Webb para detectar el vapor de agua aumenta de forma considerable. Entre 10 y 100 veces más. Esto supone un problema.

Concepto artístico del telescopio espacial James Webb. Crédito: NASA

Porque, lógicamente, el tiempo de observación del telescopio será limitado. Su misión durará 5 años, y en ese período, no será posible observar un planeta tantas veces como sería necesario para poder detectar vapor de agua. En el caso de planetas con rotación lenta, con más de 12 días, esperan que haya más nubosidad en sus hemisferios iluminados. Así, en el caso de los exoplanetas de TRAPPIST-1, es muy posible que no hubiese suficientes tránsitos para poder detectar la presencia de vapor de agua en sus atmósferas.

No es la primera vez que se hace este tipo de observaciones. En estudios anteriores, ya se sospechaba que la presencia de una capa de nubes haría que el vapor de agua fuese indetectable en el caso de las atmósferas de los exoplanetas de TRAPPIST-1. Se ha llegado a apuntar que el telescopio James Webb podría ser incapaz, en ciertos casos, de distinguir la presencia de vapor de agua de, simplemente, ruido de fondo. Es decir, descartar esos datos sin determinar que, en realidad, no es ruido.

Cómo superar el obstáculo de las nubes en las atmósferas de los exoplanetas

Los investigadores plantean algunas soluciones para evitar que el telescopio James Webb se encuentre ante grandes complicaciones. Por ejemplo, aumentar la duración de la misión, para que haya más tiempo para recopilar datos. Algo que no parece demasiado difícil. A fin de cuentas, aunque la misión tendrá una duración inicial de 5 años, se espera que el telescopio opere durante, al menos, el doble de tiempo. También sugieren ajustar el límite de detección del telescopio, para evitar que se eliminen datos erróneamente.

Las nubes en exoplanetas, como Trappist-1f, podrían hacer que el telescopio James Webb sea incapaz de detectar el vapor de agua que pudiese contener.
Este concepto artístico muestra la posible superficie de TRAPPIST-1f. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Sin embargo, esto podría provocar falsos positivos. Es decir, creer que se ha detectado vapor de agua donde, en realidad, no lo hay. El mayor problema es que, según explican los investigadores, el vapor de agua está atrapado principalmente por debajo del nivel del agua de las nubes. Una capa de nubes muy fuerte hace muy complicado detectar su presencia. En el caso del dióxido de carbono y el metano, se cree que su presencia se podrá determinar en, como mucho, una docena de tránsitos, pero no así con el vapor de agua.

Si están en lo correcto, el telescopio James Webb podría tener grandes dificultades para detectar vapor de agua. Pero, esto es importante resaltarlo, solo en exoplanetas que tengan atmósferas con capas de nubes muy densas. El resto de posibles señales biológicas, como el metano o dióxido de carbono, sin embargo, no deberían suponer un problema. Así que no todo son malas noticias. Estamos cada vez más cerca de que el telescopio James Webb se lance al espacio. Con él, si todo va bien, comenzará un nuevo capítulo de un viaje apasionante…

Referencias: Universe Today