Desvelar los secretos de las atmósferas de los exoplanetas
Las atmósferas de los exoplanetas contienen información sobre su formación y evolución, así como sobre su masa, radio, edad e, incluso, su habitabilidad. Los procesos de convección y circulación determinan las atmósferas de los planetas del Sistema Solar, por lo que también se consideran un elemento fundamental de las atmósferas de los exoplanetas. Para examinar esta cuestión, el equipo del proyecto ATMO, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, empleó simulaciones efectuadas con superordenadores para validar sus marcos teóricos revisados. «Los hallazgos de ATMO ya están ayudando a explicar parte del creciente número de observaciones de exoplanetas, sobre todo desde el lanzamiento del telescopio espacial James Webb», afirma el coordinador del proyecto, Pascal Tremblin, de la Comisaría de Energía Atómica y Energías Alternativas de Francia.
La convección diabática
Para estudiar los procesos de convección, el equipo de ATMO utilizó simulaciones creadas para la termohidráulica en sistemas de refrigeración de centrales nucleares. «Estas simulaciones de gran precisión revelaron que muchos sistemas convectivos presentaban una dinámica inestable, un fenómeno que las teorías anteriores no predecían», explica Tremblin. Este dato permitió al equipo elaborar una teoría general denominada «teoría de la convección diabática» (diabática significa «intercambio de calor»). La nueva teoría superó las expectativas en cuanto a su capacidad para incorporar una serie de inestabilidades como, por ejemplo, la liberación/bombeo de calor latente por condensación/evaporación de agua. Esta teoría es aplicable a diferentes fenómenos hidrodinámicos, como la inestabilidad Rayleigh-Taylor, lo que podría contribuir a explicar la formación de nubes. También se validó la extensión de la teoría a dos aplicaciones adicionales: la convección diabática composicional y la hipótesis de las dinamos magnetohidrodinámicas (MHD, por sus siglas en inglés) diabático-convectivas. «Ampliar la teoría a las MHD tiene una gran importancia para el estudio de exoplanetas con atmósferas ionizadas, así como para atmósferas e interiores estelares, que solo están ionizados, sino que además están muy calientes», destaca Tremblin.
Simulación de la circulación inducida por la irradiación
El equipo de ATMO adaptó un modelo climático global (MCG) para simular la circulación inducida por la irradiación en la atmósfera de los exoplanetas denominados «jupíteres calientes». Si bien estos gigantes gaseosos se parecen a Júpiter, su gran proximidad a sus estrellas hace que sus temperaturas superficiales sean muy elevadas. «Queríamos caracterizar la circulación profunda en la atmósfera de estos planetas a lo largo de miles de años, en vez de a lo largo de cientos de días, que suele ser el procedimiento habitual», comenta Tremblin. El trabajo del equipo dio lugar a los primeros estudios «paleoclimáticos» sobre jupíteres calientes. Ahora, un investigador de ATMO es el responsable de dirigir los estudios de este tipo.
Dos avances fundamentales
El trabajo efectuado en el marco de ATMO contribuye a dilucidar un antiguo misterio: el radio inflado (a menudo en torno al doble del tamaño) de los jupíteres calientes en relación con Júpiter. Desde que se observó el primer júpiter caliente, hace más de viente años, se han propuesto varias explicaciones para este fenómeno. «Demostramos que la circulación atmosférica vertical puede producir por sí sola una atmósfera profunda caliente, sustituyendo el fluido frío de las capas profundas por fluido calentado en las capas superiores», explica Tremblin. «Este mecanismo se había subestimado con anterioridad, ya que las simulaciones de los MCG se establecieron inicialmente con valores de temperatura demasiado bajos y, además, se ejecutaron a escalas de tiempo muy cortas como para registrar el aumento de la temperatura». El equipo de ATMO también corroboró las ventajas de su teoría convectiva diabática para describir sistemas convectivos conocidos, a saber: la convección húmeda en la atmósfera terrestre, la convección termohalina oceánica, la convección termohalina en el interior de estrellas, y la convección vapor/líquido en los sistemas de refrigeración de las centrales nucleares. «Nuestra teoría también se puede ajustar a la convección radiativa/química en las atmósferas de exoplanetas, que se produce debido a las reacciones lentas de la química del carbono y el nitrógeno, así como a los procesos radiativos rápidos provocados por la opacidad de estas moléculas», señala Tremblin.
Más allá del horizonte
La teoría sobre la convección diabática de ATMO ya ha contribuido a elaborar modelos atmosféricos de exoplanetas que ayuden a interpretar las observaciones del telescopio espacial James Webb. Sus MCG también se han empleado para hacer predicciones sobre los radios inflados de los jupíteres calientes. «Hemos logrado representar la atmósfera profunda caliente necesaria para explicar el radio inflado del exoplaneta WASP-76b », concluye Tremblin.
Palabras clave
ATMO, Júpiter, exoplaneta, atmósfera, telescopio espacial James Webb, convección, circulación, planeta, Sistema Solar