¿JWST finalmente encontró una exoluna?

Los astrónomos aún tienen que encontrar pruebas irrefutables de la existencia de satélites naturales de exoplanetas (las llamadas exolunas), pero a medida que se acumula evidencia circunstancial y crece la lista de candidatos, el descubrimiento de una exoluna azul real parece vislumbrarse en el horizonte.

La última afirmación, que no es del todo concluyente, se refiere a una posible exoluna que podría estar en erupción y arrojar escombros sobre y alrededor de su planeta anfitrión. Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, los astrónomos han identificado una nube de gas en las proximidades del exoplaneta gigante gaseoso WASP-39b que puede provenir de un satélite que lo acompaña. Pero incluso si ese supuesto compañero lunar resulta ilusorio, este nuevo método de rastrear fuentes misteriosas de material inexplicable alrededor de exoplanetas gigantes podría convertirse en un camino definitivo para futuros hallazgos de exolunas.

Desde su descubrimiento en 2011, WASP-39b ha sido un objetivo frecuente para los astrónomos; El gran tamaño del planeta, su órbita de período corto y su tránsito en sombras (cruzando la cara de su estrella vista desde la Tierra) lo hacen favorable para estudios más profundos. En 2023, los investigadores anunciaron la detección de dióxido de azufre en la atmósfera del planeta. Ahora, un nuevo estudio preimpreso, aceptado para su publicación en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, cuestiona algunos detalles de esa conclusión. La fuente del dióxido de azufre, afirma este nuevo estudio, es una exoluna hipervolcánica, similar en muchos aspectos al satélite Io de Júpiter. Atrapadas en un tira y afloja gravitacional entre la intensa gravedad de Júpiter y la de otras grandes lunas cercanas, las entrañas de Ío son amasadas como masa por las fuerzas de marea, generando un inmenso calor que impulsa enormes erupciones.

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Para este exoplaneta y su supuesta luna, el proceso sería “casi idéntico al de Io [and Jupiter] excepto que [WASP-39b] “Está muy cerca de la estrella”, dice Apurva Oza del Instituto de Tecnología de California, quien dirigió el nuevo estudio. “La estrella realmente la está cocinando, también gravitacional y térmicamente”.

¿Un Exo-Io?

Io, el cuerpo con mayor actividad volcánica del sistema solar, expulsa material que luego es arrastrado al espacio por la magnetosfera de Júpiter a una velocidad de aproximadamente una tonelada por segundo. El resultado es un toro de gas, polvo y otros desechos que se extiende alrededor de Júpiter, constantemente repuesto por las incesantes erupciones de Ío.

En 2006, investigadores postularon que nubes similares alrededor de exoplanetas podrían revelar la presencia de lunas. Oza comenzó a trabajar con uno de esos investigadores unos años más tarde, considerando cómo el sodio podría convertirse en “un faro para exolunas y exorings”. En 2019, él y sus colegas elaboraron una lista de objetivos potenciales a priorizar en la búsqueda de este tipo de balizas. WASP-39b fue uno de los contendientes.

Aunque JWST fue el primero en detectar dióxido de azufre alrededor de WASP-39b, otros observatorios como el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en el norte de Chile también han detectado sodio y potasio allí. Oza y sus colegas reunieron todas las observaciones y rastrearon cómo variaron durante más de una década. En lugar de estar asociadas de manera uniforme e inequívoca con el propio WASP-39b, las señales fluctuantes de los compuestos sugirieron a Oza y sus colegas un comportamiento episódico, mientras que la composición insinuaba una fuente externa.

“El hecho de que estas especies en particular varíen realmente apunta a algo que es más bien un cuerpo sólido, como lo sería una luna”, dice Kurt Retherford, científico planetario del Southwest Research Institute en San Antonio, Texas, que no participó en el estudio de Oza. En varias reuniones profesionales en los últimos años, Retherford ha surgido como un crítico persistente de la técnica de caza de exolunas preferida de Oza, apareciendo en las charlas de Oza para hacer preguntas difíciles y escépticas.

Pero eso puede haber cambiado desde que Oza presentó la investigación sobre WASP-39b el mes pasado en la conferencia conjunta Europlanet Science Congress/Division of Planetary Sciences (EPSC-DPS) en Helsinki, Finlandia.

“Antes de ver su charla, me habría inclinado más hacia el planeta mismo” como la probable fuente de dióxido de azufre, dice Retherford. Ahora, sin embargo, ha cambiado de opinión. Una fuente externa, no planetaria, para lecturas extrañas de WASP-39b es más sensata, dice, “tal vez siendo una exoluna la mejor explicación para los datos tal como están ahora”.

Cazando exolunas

Oza y su equipo ya están aplicando la técnica en otras estrellas. Ya han encontrado otro mundo en tránsito, WASP-49Ab, y creen que es un fuerte candidato para albergar una exoluna. Al igual que su hermano, WASP-49b es un “Júpiter caliente”, un gigante gaseoso que orbita muy cerca de su estrella. Una nube de sodio orbita la estrella en ataques y estallidos que sugieren erupciones. Ese estudio fue publicado el año pasado en Astrophysical Journal Letters.

Recientemente, la colaboradora de Oza y coautora del nuevo estudio, Athira Unni, de la Universidad de California, Santa Cruz, publicó mediciones del movimiento del propio gas alrededor de WASP-49b, citando la rápida velocidad alrededor del sistema como una pista de que el origen es un satélite volcánico en lugar de erupciones estelares u otras fuentes astrofísicas. Según Oza, esas mediciones parecen sugerir una luna con una órbita de ocho horas alrededor de su planeta anfitrión. Si las observaciones de las velocidades del gas alrededor de WASP-39b revelaran patrones similares, especula Retherford, “esa sería la prueba irrefutable de una exoluna”.

Pero las señales no son completamente inequívocas. Todos los objetivos de la lista de Oza para 2019 son Júpiter calientes. WASP-39b tiene aproximadamente el tamaño de Saturno y gira alrededor de su estrella similar al Sol una vez cada cuatro días; esa órbita abrasadora calienta el lado diurno del planeta a 1.430 grados Fahrenheit (776 grados Celsius). WASP-49Ab orbita cada 2,8 días y es aún más caliente. La mayoría de los astrónomos creen que estos gigantes abrasadores se formaron más lejos de su estrella y luego migraron hacia adentro.

Esto crea algunos problemas cuando se trata de satélites.

Los planetas se forman a partir del disco de gas y polvo que rodea a una estrella recién nacida, y se cree que las lunas suelen surgir de los restos del nacimiento de un planeta. Los planetas gigantes se fusionan más lejos, en las regiones más frías de los discos natales de sus estrellas, donde el hielo y el gas son más abundantes; Se cree que los Júpiter calientes fueron arrojados hacia adentro poco después de su formación. Es de suponer que sus lunas se habrían formado junto a ellos. Pero el caos que empuja a los Júpiter calientes hacia adentro probablemente despojaría a sus satélites, según David Kipping, un astrónomo cazador de exolunas de la Universidad de Columbia.

“Podemos pensar en muchas formas posibles de perder una luna”, dice Kipping. “Aferrarse a ello es difícil”.

Su compañero cazador de exolunas René Heller, del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar en Göttingen, Alemania, es menos escéptico en ese frente. Sostiene que probablemente también se produjo una migración interna menos extrema alrededor de nuestro propio sol, y que Júpiter y Saturno lograron traer consigo sus lunas más grandes para el viaje. “Nuestro sistema solar sirve de ejemplo para mover cosas hacia adentro y llevar consigo sus lunas”, dice Heller.

Heller está más preocupado por qué tan cerca tendría que orbitar la luna alrededor de WASP-39b para evitar ser arrancada por la estrella. Según los análisis de Oza, el orbe en erupción tendría que estar dentro de un radio planetario de WASP-39b, prácticamente rozando las cimas de las nubes del planeta. Es una línea muy fina para caminar sin chocar contra el gigante o desviarse hacia el sol.

“Creo que es muy inverosímil”, dice Heller. “La estabilidad es un criterio difícil”.

Tanto Heller como Kipping también plantean preocupaciones sobre la falsabilidad y la necesidad de probar las predicciones. Las interacciones planeta-estrella, sostienen cada uno de ellos de forma independiente, podrían malinterpretarse como actividad lunar. La actividad estelar podría afectar la nube de gas, provocando un comportamiento episódico que podría imitar erupciones. Heller señala “incógnitas desconocidas”, señalando que la proximidad del planeta a su estrella podría dar lugar a fuentes de señales que los científicos aún no han descubierto.

“Creo que es cuestionable si entendemos las estrellas lo suficiente como para afirmar con confianza que cualquier variabilidad que veamos, especialmente espectroscópicamente, no puede ser el resultado de algún proceso que ocurre en la superficie de la estrella misma”, dice Kipping.

Una desventaja del modelo de Oza, señala Kipping, es que cualquier fluctuación en los niveles de dióxido de azufre, sodio y potasio observados en WASP-39b puede explicarse fácilmente como variabilidad en las erupciones.

“Cuando una hipótesis puede explicarlo todo, resulta muy difícil refutarla”, afirma.

Heller expresa preocupaciones similares sobre cómo determinar claramente si el material proviene de una luna en lugar de un planeta o alguna otra fuente. Pero para Retherford, el origen parece bastante sencillo.

“Para mí es más difícil imaginar el sodio, el potasio y el dióxido de azufre en las partes superiores de la atmósfera del gigante gaseoso”, afirma.

La capa atmosférica más externa de los gigantes gaseosos del sistema solar suele estar llena de elementos ligeros como el hidrógeno y el helio. El material más pesado se hunde más y sería más difícil quitarlo. Es de suponer que esto también sería válido para los Júpiter calientes, pero la certeza sobre tales arcanos es difícil de alcanzar para estos mundos lejanos.

Incluso teniendo esto en cuenta, Retherford dice que la explicación de la exoluna proporciona “una explicación mucho más simple” para las observaciones del gas.

Próximos pasos

¿Qué se necesitaría en última instancia para convencer a Heller, Kipping y otros escépticos?

“Supongo que necesitaríamos un método complementario”, dice Heller, “un método independiente para probar cualquier predicción que se tenga”.

Una opción es aprovechar aún más el hecho de que WASP-39b transita por su estrella vista desde la Tierra. Una luna acompañante lo suficientemente grande podría, por ejemplo, tirar lo suficiente del planeta como para alterar sutilmente el momento de esos tránsitos, lo que podría permitir a los astrónomos vigilantes inferir su presencia.

Kipping señala, sin embargo, que durante casi una década y media, los astrónomos ya han prestado atención a WASP-39b y se han capturado numerosos tránsitos. Es posible, dice, que la señal del tiempo de tránsito de la luna nueva aún pueda estar oculta entre los datos existentes. Pero Oza sospecha que cualquier señal de este tipo sería demasiado pequeña para ser detectada.

“Esta técnica es extremadamente sensible a la masa de la Luna, que podría ser más pequeña que la nuestra o Io”, afirma.

Mientras tanto, dice Oza, las mediciones de Unni de la velocidad de la nube alrededor de WASP-49Ab proporcionan un fuerte apoyo a la existencia de una luna allí.

“Tener esa dimensión adicional de los desplazamientos Doppler definitivamente fortalece el análisis”, dice Kipping.

Oza espera obtener mediciones similares de WASP-39b en un futuro próximo.

“Es una señal realmente intrigante que exige una explicación, y una exoluna puede explicarla”, dice Kipping. “Creo que deberíamos seguir adelante”.