Los planetas gigantes en nuestro sistema solar y otras estrellas en círculos tienen nubes exóticas diferentes a cualquier cosa en la Tierra.

Los gigantes gaseosos que orbitan cerca de sus estrellas, los llamados Júpiter calientes, son los más extremos.

Los científicos ahora presentan un modelo que predice cuál de los muchos tipos de nubes propuestas, desde el zafiro hasta la neblina de metano, se espera en Júpiter caliente de diferentes temperaturas, hasta miles de grados Kelvin.

Sorprendentemente, el tipo de nube más común, esperado en un amplio rango de temperaturas, debe consistir en gotas líquidas o sólidas de silicio y oxígeno, como cuarzo fundido o arena fundida.

En los Júpiter calientes más fríos, por debajo de unos 950 Kelvin (1.250 grados Fahrenheit), los cielos están dominados por una neblina de hidrocarburos, esencialmente smog.

El modelo ayudará a los astrónomos a estudiar los gases en las atmósferas de estos mundos extraños y distantes, ya que las nubes interfieren con las mediciones de la composición atmosférica.

También podría ayudar a los científicos planetarios a comprender las atmósferas de planetas gigantes más fríos y sus lunas, como Júpiter y la luna Titán de Saturno en nuestro propio sistema solar.

“Los tipos de nubes que pueden existir en estas atmósferas calientes son cosas que realmente no consideramos como nubes en el sistema solar”, dijo Peter Gao, becario postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley, quien es el primer autor de Un artículo que describe el modelo que apareció el 25 de mayo en la revista Nature Astronomy.

“Ha habido modelos que predicen varias composiciones, pero el objetivo de este estudio fue evaluar cuál de estas composiciones realmente importa y comparar el modelo con los datos disponibles que tenemos”.

El estudio aprovecha un auge en la última década en el estudio de atmósferas de exoplanetas.

Aunque los exoplanetas están demasiado distantes y débiles para ser visibles, muchos telescopios, en particular el Telescopio Espacial Hubble, pueden enfocarse en las estrellas y capturar la luz de las estrellas que pasan a través de las atmósferas de los planetas cuando pasan frente a sus estrellas.

Las longitudes de onda de la luz que se absorben, reveladas por mediciones espectroscópicas, le dicen a los astrónomos qué elementos forman la atmósfera.

Hasta la fecha, esta técnica y otras han encontrado o inferido la presencia de agua, metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono, gases de potasio y sodio y, en los planetas más calientes, óxido de aluminio vaporizado, hierro y titanio.

Pero aunque algunos planetas parecen tener atmósferas claras y características espectroscópicas claras, muchos tienen nubes que bloquean por completo la filtración de la luz estelar, evitando el estudio de gases debajo de las capas superiores de nubes.

Las composiciones de los gases pueden decir a los astrónomos cómo se forman los exoplanetas y si los componentes básicos de la vida están presentes alrededor de otras estrellas.

“Hemos encontrado muchas nubes: algunos tipos de partículas, no moléculas, sino pequeñas gotas, que cuelgan en estas atmósferas”, dijo Gao.

“Realmente no sabemos de qué están hechos, pero están contaminando nuestras observaciones, esencialmente haciéndonos más difícil evaluar la composición y la abundancia de moléculas importantes, como el agua y el metano”.

Nubes de rubí

Para explicar estas observaciones, los astrónomos han propuesto muchos tipos extraños de nubes, compuestas de óxidos de aluminio, como el corindón, el material de los rubíes y los zafiros; sal fundida, tal como cloruro de potasio; óxidos de silicio, o silicatos, como el cuarzo, el componente principal de la arena; sulfuros de manganeso o zinc que existen como rocas en la Tierra; y compuestos de hidrocarburos orgánicos.

Las nubes podrían ser aerosoles líquidos o sólidos, dijo Gao.

Gao adaptó modelos informáticos creados inicialmente para las nubes de agua de la Tierra y posteriormente se extendió a las atmósferas nubladas de planetas como Júpiter, que tiene nubes de amoníaco y metano.

Amplió el modelo aún más a las temperaturas mucho más altas que se observan en los planetas gigantes de gas caliente, hasta 2.800 Kelvin, o 4.600 grados Fahrenheit (2.500 grados Celsius), y los elementos que probablemente se condensen en nubes a estas temperaturas.

El modelo tiene en cuenta cómo los gases de varios átomos o moléculas se condensan en gotas, cómo crecen o se evaporan estas gotas y si es probable que sean transportadas a la atmósfera por vientos o corrientes ascendentes, o se hundan debido a la gravedad.

“La idea es que los mismos principios físicos guíen la formación de todo tipo de nubes”, dijo Gao, quien también modeló las nubes de ácido sulfúrico en Venus. “Lo que he hecho es tomar este modelo y llevarlo al resto de la galaxia, para que pueda simular nubes de silicato y nubes de hierro y nubes de sal”.

Luego comparó sus predicciones con los datos disponibles en 30 exoplanetas de un total de aproximadamente 70 exoplanetas en tránsito con espectros de transmisión registrados hasta la fecha.

El modelo reveló que muchas de las nubes exóticas propuestas a lo largo de los años son difíciles de formar porque la energía requerida para condensar los gases es demasiado alta.

Sin embargo, las nubes de silicato se condensan fácilmente y dominan en un rango de temperaturas Kelvin de 1,200 grados: de aproximadamente 900 a 2,000 Kelvin. Eso es un rango de aproximadamente 2,000 grados Fahrenheit.

Según el modelo, en las atmósferas más cálidas, los óxidos de aluminio y los óxidos de titanio se condensan en nubes de alto nivel. En exoplanetas con atmósferas más frías, esas nubes se forman más profundamente en el planeta y están oscurecidas por nubes de silicato más altas.

En exoplanetas aún más fríos, estas nubes de silicato también se forman más profundamente en la atmósfera, dejando atmósferas superiores despejadas.

A temperaturas aún más frías, la luz ultravioleta de la estrella del exoplaneta convierte las moléculas orgánicas como el metano en cadenas de hidrocarburos extremadamente largas que forman una neblina de alto nivel similar al smog.

Este smog puede oscurecer las nubes salinas más bajas de potasio o cloruro de sodio.

Para aquellos astrónomos que buscan un planeta sin nubes para estudiar más fácilmente los gases en la atmósfera, Gao sugirió enfocarse en planetas entre aproximadamente 900 y 1,400 Kelvin, o aquellos más calientes que aproximadamente 2,200 Kelvin.

“La presencia de nubes se ha medido en varias atmósferas de exoplanetas antes, pero es cuando miramos colectivamente una gran muestra que podemos separar la física y la química en las atmósferas de estos mundos”, dijo la coautora Hannah Wakeford , astrofísico de la Universidad de Bristol en el Reino Unido

“La especie de nube dominante es tan común como la arena, es esencialmente arena, y será realmente emocionante poder medir las firmas espectrales de las nubes por primera vez con el próximo telescopio espacial James Webb (JWST)”.

Las observaciones futuras, como las del JWST de la NASA, programadas para su lanzamiento dentro de unos años, deberían poder confirmar estas predicciones y quizás arrojar luz sobre las capas de nubes ocultas de los planetas más cercanos a casa.

Gao dijo que pueden existir nubes exóticas similares a profundidades dentro de Júpiter o Saturno, donde las temperaturas son cercanas a las que se encuentran en los Júpiter calientes.

“Debido a que hay miles de exoplanetas versus un solo Júpiter, podemos estudiar un montón de ellos y ver cuál es el promedio y cómo se compara con Júpiter”, dijo Gao.

Él y sus colegas planean probar el modelo con datos de observación de otros exoplanetas y también de enanas marrones, que son básicamente planetas gigantes gaseosos tan masivos que casi son estrellas. Ellos también tienen nubes.

“Al estudiar las atmósferas planetarias en el sistema solar, generalmente tenemos el contexto de las imágenes. No tenemos tanta suerte con los exoplanetas. Son solo puntos o sombras ”, dijo Jonathan Fortney de UC Santa Cruz.

“Esa es una gran pérdida de información. Pero lo que tenemos que compensar es un tamaño de muestra mucho mayor. Y eso nos permite buscar tendencias, aquí una tendencia en la nubosidad, con la temperatura planetaria, algo de lo que simplemente no tenemos el lujo en nuestro sistema solar “.

Estudio original