Cómo ver arcoíris en exoplanetas con el futuro telescopio HWO
Imagina un arcoíris en un mundo a años luz de distancia. No es ciencia ficción: un futuro telescopio de la NASA podría ser capaz de detectar estos y otros fenómenos ópticos en las atmósferas de planetas que orbitan otras estrellas. La clave está en un método ingenioso que aprovecha la luz polarizada y las fases planetarias.
El reto de estudiar atmósferas exoplanetarias
Encontrar exoplanetas se ha vuelto sorprendentemente sencillo. No siempre se necesita un telescopio gigante; a veces, con instrumentos modestos se detectan estos mundos alienígenas. Sin embargo, caracterizarlos —conocer su tamaño, período orbital y, sobre todo, su atmósfera— es mucho más complejo. Para analizar sus atmósferas se requieren observatorios de última generación.
Actualmente, los astrónomos pueden estudiar las atmósferas exoplanetarias recolectando con paciencia la luz de una estrella después de que ha pasado físicamente a través del aire del planeta en órbita. Buscan las sutiles huellas de moléculas que absorben parte de esa luz en longitudes de onda específicas. Es un trabajo minucioso, pero no es la única forma.
Arcoíris en otros mundos: una idea brillante
Investigaciones publicadas hace unos años en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) describen otro método muy ingenioso que los astrónomos podrían implementar con un futuro telescopio espacial: buscar arcoíris exoplanetarios. Lamentablemente, no hay esperanza de ver uno directamente; obtener una imagen de un exoplaneta como un simple punto ya es toda una hazaña. Pero con una planificación cuidadosa, se pueden detectar indicios reveladores de arcoíris y otros fenómenos ópticos.
Ninguno de estos fenómenos puede detectarse con nuestra flota actual de telescopios. Pero la NASA está desarrollando una misión llamada Habitable Worlds Observatory (HWO), cuyo lanzamiento está previsto para principios de la década de 2040. Este enorme telescopio contará con un espejo colector de luz de al menos seis metros y estará optimizado para buscar mundos del tamaño de la Tierra orbitando estrellas similares al Sol en su zona habitable, la región donde un planeta puede mantener agua líquida en su superficie.
Usando las capacidades previstas del HWO como base, los astrónomos responsables de aquel artículo de MNRAS investigaron las posibilidades de detectar fenómenos atmosféricos como arcoíris, dispersión de Rayleigh y destellos solares (sunglint) en exoplanetas.
La importancia de las fases planetarias
Observar estos fenómenos es, en esencia, una cuestión de perspectiva. Todos pueden revelarse a medida que un exoplaneta pasa por fases mientras orbita su estrella, igual que la Luna lo hace alrededor de la Tierra. Cuando el planeta está entre su estrella y nosotros, vemos su mitad oscura, no iluminada (su fase “nueva”). A medida que orbita y parece alejarse de la estrella, muestra una fase creciente, que se convierte en media luna en su máxima separación, y luego en llena cuando está en el lado opuesto de la estrella desde nuestro punto de vista. Las fases ocurren en orden inverso mientras regresa a su posición original de fase “nueva”.
Con un telescopio como el HWO, no veríamos esas fases directamente, sino que registraríamos cambios periódicos de brillo a medida que el exoplaneta crece y decrece. Los fenómenos atmosféricos potencialmente detectables dependen de esas fases y del ángulo entre el planeta, su estrella y el observatorio, por lo que se ven mejor en diferentes momentos de la órbita.
Destellos solares: el reflejo del agua
El fenómeno más simple es el destello solar (sunglint): es solo el reflejo del sol en una masa de agua, como un lago o un océano. La superficie del agua actúa exactamente como un espejo, rebotando la luz solar en un ángulo alejado del sol. Puedes verlo tú mismo en una playa cuando el sol está bajo, con el brillo reflejado justo debajo del sol en el agua.
Esto también se ha visto desde la órbita terrestre en muchas fotos de la Estación Espacial Internacional y, de hecho, la nave Cassini lo observó en Saturno cuando la luz solar se reflejó en lagos de metano líquido en su enorme luna Titán. El destello solar se ve cuando el ángulo entre el sol, el agua y el observador es muy bajo, como al amanecer o al atardecer. Para un exoplaneta, ocurre cuando el planeta está casi entre la estrella y la Tierra. Desde nuestro punto de vista, el planeta, si pudiéramos verlo con claridad, estaría en fase creciente.
En su artículo de MNRAS, los astrónomos encontraron que, en observaciones simuladas del HWO, el destello añadiría un pequeño pero significativo aumento de brillo en algunos planetas en fase creciente o cercana a ella. Y como el agua y la mayoría de los líquidos no pueden persistir en la superficie de un planeta sin una capa aislante de aire, ver ese destello podría señalar también la presencia de una atmósfera.
Arcoíris exoplanetarios y luz polarizada
Los arcoíris en la Tierra ocurren cuando la luz solar atraviesa gotas de lluvia. Los diferentes colores de la luz rebotan dentro de las gotas en ángulos distintos, por lo que al emerger se separan. Cuando nos paramos con el sol a la espalda, las gotas que tenemos enfrente envían esa luz de vuelta hacia nosotros ordenada por colores, creando un arco prismático característico en el cielo: un arcoíris.
Si esto ocurre en un exoplaneta, no podremos verlo directamente. Sin embargo, la luz de los arcoíris está polarizada, lo que significa que las ondas se alinean todas. (Por ejemplo, oscilan hacia arriba y hacia abajo o de izquierda a derecha). Es probable que el HWO lleve un polarímetro —un instrumento diseñado para dejar pasar solo la luz alineada de una manera— y los autores del artículo modelaron lo que podría ver.
Si un exoplaneta está en la fase correcta, el polarímetro del HWO debería poder detectar el aumento extra de luz polarizada procedente de posibles arcoíris (y fenómenos relacionados como las “glorias”, que se han detectado en otros planetas). La cantidad de polarización también puede revelar el tamaño de las gotas de lluvia que forman el arcoíris e incluso su composición.
Dispersión de Rayleigh: el azul del cielo
La dispersión de Rayleigh ocurre cuando la luz solar entrante rebota en moléculas como el nitrógeno de la atmósfera terrestre, y es lo que hace que nuestro cielo sea azul. Esta dispersión también polariza la luz; la cantidad de polarización observada depende del ángulo de la luz entrante con respecto al observador.
Puedes ver este efecto tú mismo en un día claro y soleado. Las lentes de sol polarizadas son esencialmente polarímetros básicos. Tienen filtros con moléculas alineadas en una dirección (generalmente vertical); la luz polarizada verticalmente pasa a través de ese filtro como una llave en una cerradura, mientras que la luz polarizada en otra dirección (por ejemplo, horizontal) no lo hace. La dispersión de Rayleigh del cielo provoca la polarización más fuerte de la luz solar a 90 grados del sol: si giras las lentes de sol mientras miras a través de ellas, verás que el cielo se oscurece significativamente —las lentes bloquean la luz cuando el ángulo de polarización no coincide con el de las lentes—. Cerca del sol, este efecto es mucho menor (aunque ten cuidado y no mires demasiado cerca).
Este es el efecto que los astrónomos pueden explotar usando el HWO para buscar señales de la atmósfera de un exoplaneta. Basándose en simulaciones con datos de estrellas reales que el HWO podría estudiar, el equipo de científicos descubrió que las señales de polarización de arcoíris y destellos solares deberían ser detectables en una fracción decente de pequeños mundos rocosos y cálidos, mientras que la dispersión de Rayleigh se registraría en la mayoría de ellos, suponiendo que tengan atmósferas.
El futuro de la detección atmosférica
Ese es el objetivo: queremos optimizar la capacidad del HWO para detectar aire en mundos alienígenas, y buscar estos fenómenos ópticos le daría un gran impulso. Un cielo azul, un arcoíris tras la tormenta y el sol reflejándose en el océano son vistas que damos por sentadas aquí en la Tierra. Pero pueden ser comunes en planetas de todo el cosmos. Si lo son, podríamos estar al borde de poder detectarlos.
