K2-18b , también conocido como EPIC 201912552 b , es un exoplaneta que orbita alrededor de la enana roja K2-18 , ubicada a 124 años luz (38 pc ) de la Tierra. El planeta es un subneptuno de aproximadamente 2,6 veces el radio de la Tierra , con una órbita de 33 días dentro de la zona habitable de la estrella . Esto significa que recibe una cantidad de luz estelar similar a la que la Tierra recibe del Sol. Inicialmente descubierto con el telescopio espacial Kepler , fue observado más tarde por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) con el fin de estudiar la atmósfera del planeta .
En 2019 se informó de la presencia de vapor de agua en la atmósfera de K2-18b, lo que llamó la atención sobre este sistema. En 2023, el JWST detectó dióxido de carbono y metano en la atmósfera de K2-18b. Los datos del JWST han sido interpretados de diversas formas como indicadores de un planeta con un océano de agua y una atmósfera rica en hidrógeno, y un mini-Neptuno rico en gas. K2-18b ha sido estudiado como un mundo habitable potencial que, dejando de lado la temperatura, se parece más a un planeta gaseoso como Urano o Neptuno que a la Tierra.
Estrella anfitriona
K2-18 es una enana M de la clase espectral M3V [4] en la constelación de Leo , [5] a 38,025 ± 0,079 parsecs (124,02 ± 0,26 años luz ) del Sol . [1] La estrella es más fría y más pequeña que el Sol, con una temperatura de 3457 K (3184 °C; 5763 °F) y un radio del 45% del Sol, [6] y no es visible a simple vista. [7] La estrella tiene 2,4 ± 0,6 mil millones de años [8] y muestra una actividad estelar moderada , pero no está claro si tiene manchas estelares , [9] que tenderían a crear señales falsas [a] cuando un planeta las cruza, [11] . [11] [9] K2-18 tiene un planeta adicional dentro de la órbita de K2-18b, K2-18c , [12] que puede interactuar con K2-18b a través de mareas. [b] [14]
Se estima que hasta el 80% de todas las estrellas enanas M tienen planetas en sus zonas habitables , [6] incluyendo las estrellas LHS 1140 , Proxima Centauri y TRAPPIST-1 . La pequeña masa, tamaño y bajas temperaturas de estas estrellas y las frecuentes órbitas de los planetas hacen más fácil la caracterización de los planetas. Por otro lado, la baja luminosidad de las estrellas puede dificultar el análisis espectroscópico de los planetas, [15] [6] y las estrellas son frecuentemente activas con llamaradas y superficies estelares no homogéneas ( fáculas y manchas estelares ), que pueden producir señales espectrales erróneas al investigar un planeta. [10]
Propiedades físicas
K2-18b tiene un radio de2.610 ± 0.087 R 🜨 , una masa de8,63 ± 1,35 M E y orbita su estrella en 33 días. [6] Desde la Tierra, se puede ver pasar frente a la estrella. [16] Lo más probable es que el planeta esté bloqueado por mareas a la estrella, aunque considerando su excentricidad orbital, también es posible una resonancia de giro-órbita como Mercurio . [17]
La densidad de K2-18b es de aproximadamente2.67+0,52 -0,47g/cm3 – intermedio entre la Tierra y Neptuno – lo que implica que el planeta tiene una envoltura rica en hidrógeno . [c] [15] El planeta puede ser rocoso con una envoltura gruesa o tener una composición similar a la de Neptuno. [d] [19] [20] Un planeta de agua pura con una atmósfera delgada es menos probable. [21] Los planetas con radios de aproximadamente1,5–2 R 🜨 son inesperadamente raros en relación con su tasa de ocurrencia esperada, un fenómeno conocido como el valle del radio . Presumiblemente, los planetas con radios intermedios no pueden mantener sus atmósferas contra la tendencia de su propia producción de energía y la radiación estelar a impulsar el escape atmosférico . [22] Los planetas con radios aún más pequeños se conocen como Supertierras y aquellos con radios más grandes como Subneptunos . [23]
El planeta puede haber tardado unos pocos millones de años en formarse. [24] [25] Es poco probable que se produzca un calentamiento por mareas . [12] El calentamiento interno puede aumentar las temperaturas a grandes profundidades, pero es poco probable que afecte significativamente a la temperatura de la superficie. [25] Si existe un océano, es probable que esté cubierto por una capa de hielo de alta presión sobre un núcleo rocoso , [26] lo que podría desestabilizar el clima del planeta al impedir los flujos de material entre el núcleo y el océano. [27]
Posible océano
A temperaturas superiores al punto crítico , los líquidos y los gases dejan de ser fases diferentes y ya no hay separación entre un océano y la atmósfera. [28] No está claro si las observaciones implican que existe un océano líquido separado en K2-18b, [2] y detectar un océano de este tipo es difícil desde el exterior; [29] su existencia no se puede inferir o descartar únicamente a partir de la masa y el radio de un planeta. [30]
La existencia de un océano de agua líquida es incierta. [31] Antes de las observaciones del Telescopio Espacial James Webb, se creía que era más probable que el agua se encontrara en estado supercrítico . [32] Inicialmente, se consideró que las observaciones del JWST eran más coherentes con una interfaz fluido-gas y, por lo tanto, con un océano líquido [33] : los gases traza, como los hidrocarburos y el amoníaco, pueden perderse de una atmósfera a un océano si existe; su presencia puede implicar, por lo tanto, la ausencia de una separación océano-atmósfera. [34] Un trabajo posterior descubrió que un océano de magma también puede ser capaz de disolver el amoníaco y explicar los resultados de la observación, [35] pero no de explicar las concentraciones de óxido de carbono observadas. [36] No está claro si las concentraciones de óxido de carbono se pueden explicar mediante un modelo de atmósfera de mini-Neptuno/hidrógeno profundo. [37] [38] Otro artículo sugiere que un modelo de océano de agua líquida requiere la presencia de una biosfera para producir una cantidad suficiente de metano. [37]
Atmósfera y clima
Las observaciones con el telescopio espacial Hubble han descubierto que K2-18b tiene una atmósfera compuesta de hidrógeno. [39] La presencia de vapor de agua es probable [40] pero con incertidumbre, [41] ya que las observaciones del telescopio espacial James Webb indican concentraciones de menos del 0,1%; [42] esto puede deberse a que el JWST vio una estratosfera seca [33] ya que se cree que la atmósfera tiene una trampa fría eficiente . [38] Las concentraciones de amoníaco parecen ser inmensurablemente bajas. [e] [39] Las observaciones del JWST indican que el metano y el dióxido de carbono representan cada uno aproximadamente el 1% de la atmósfera. [45] [46] No se informó sobre otros óxidos de carbono; [47] solo se ha establecido un límite superior para sus concentraciones (un pequeño porcentaje). [48] La atmósfera representa como máximo el 6,2% de la masa del planeta, [19] y su composición probablemente se asemeja a la de Urano y Neptuno. [49]
Hay poca evidencia de neblina en la atmósfera, [50] mientras que la evidencia de nubes de agua , el único tipo de nubes que es probable que se formen en K2-18b, [51] es contradictoria. [52] Si existen, las nubes probablemente sean heladas, pero es posible que haya agua líquida. [53] Además del agua, el cloruro de amonio , el sulfuro de sodio , el cloruro de potasio y el sulfuro de zinc podrían formar nubes en la atmósfera de K2-18b, dependiendo de las propiedades del planeta. [54] La mayoría de los modelos de computadora esperan que se forme una inversión de temperatura a gran altitud, produciendo una estratosfera . [55]
Evolución
Se espera que la radiación de alta energía de la estrella, como la radiación ultravioleta [f] dura y los rayos X , calienten la atmósfera superior y la llenen con hidrógeno formado a través de la fotodisociación del agua, formando así una exosfera extendida rica en hidrógeno [58] que puede escapar del planeta. [8] Los flujos de rayos X y UV que K2-18b recibe de K2-18 son considerablemente más altos que los flujos equivalentes del Sol; [8] el flujo de radiación ultravioleta dura proporciona suficiente energía para impulsar esta exosfera a escapar a una velocidad de aproximadamente350+400 −290toneladas por segundo, demasiado lento para eliminar la atmósfera del planeta durante su vida útil. [59] Las observaciones de disminuciones de las emisiones de radiación alfa Lyman durante los tránsitos del planeta pueden mostrar la presencia de dicha exosfera; este descubrimiento requiere confirmación. [60]
Escenarios alternativos
Detectar atmósferas alrededor de los planetas es difícil y varios de los hallazgos publicados son controvertidos. [61] Barclay et al. 2021 sugirió que la señal de vapor de agua puede deberse a la actividad estelar, en lugar del agua en la atmósfera de K2-18b. [4] Bézard et al. 2020 propuso que el metano puede ser un componente más significativo, representando alrededor del 3-10%, mientras que el agua puede constituir alrededor del 5-11% de la atmósfera, [52] y Bézard, Charnay y Blain 2022 propusieron que la evidencia de agua se debe en realidad al metano, [62] aunque tal escenario es menos probable. [63]
Modelos
Se han utilizado modelos climáticos para simular el clima que podría tener K2-18b, y una intercomparación de sus resultados para K2-18b es parte del proyecto CAMEMBERT para simular los climas de los planetas subneptunianos. [64] Entre los esfuerzos de modelado climático realizados en K2-18b se encuentran:
Charnay et al. 2021, asumiendo que el planeta está bloqueado por mareas, encontraron una atmósfera con gradientes de temperatura débiles y un sistema de viento con aire descendente en el lado nocturno y aire ascendente en el lado diurno. En la atmósfera superior, la absorción de radiación por el metano produjo una capa de inversión . [65] Las nubes solo podían formarse si la atmósfera tenía una alta metalicidad ; sus propiedades dependían en gran medida del tamaño de las partículas de las nubes y de la composición y circulación de la atmósfera. Se formaban principalmente en el punto subestelar y el terminador . Si había lluvia , no podía llegar a la superficie; en cambio, se evaporaba para formar virga . [66] Las simulaciones con una resonancia de espín-órbita no alteraron sustancialmente la distribución de las nubes. [67] También simularon la apariencia de la atmósfera durante los tránsitos estelares . [68]
Innes y Pierrehumbert (2022) realizaron simulaciones asumiendo diferentes tasas de rotación y concluyeron que, salvo las altas tasas de rotación, no hay un gradiente de temperatura sustancial entre los polos y el ecuador. [69] Encontraron la existencia de corrientes en chorro por encima del ecuador y en latitudes altas, con chorros ecuatoriales más débiles en la superficie. [70]
Hu 2021 realizó simulaciones de la química del planeta. [51] Llegaron a la conclusión de que la fotoquímica no debería ser capaz de eliminar por completo el amoníaco de la atmósfera exterior [71] y que se formarían óxidos de carbono y cianuro en la atmósfera media, donde podrían ser detectables. [72] El modelo predice que podría formarse una capa de neblina de azufre que se extendería a través y por encima de las nubes de agua. Una capa de neblina de este tipo dificultaría mucho las investigaciones de la atmósfera del planeta. [73]
Tsai et al. 2024 ejecutaron modelos químicos y físicos. [74] Encontraron una corriente en chorro prograda en la troposfera y una retrógrada por encima0,0001 bar de altitud, con circulación impulsada térmicamente entre los dos. [75] Encontraron que para que el sulfuro de dimetilo sea detectable, su producción debe superar la de la Tierra en un factor de 20, [76] una tasa no imposible para un ecosistema plausible. [77] Varios hidrocarburos pueden enmascarar la señal del sulfuro de dimetilo. [78]
Habitabilidad
La radiación estelar entrante asciende a1368+114 −107 W / m2 , similar a la insolación mediaque recibe la Tierra. [6] K2-18b se encuentra dentro o ligeramente dentro de la zona habitable de su estrella, [ 79] –puede estar cerca [80] pero no llegar alumbral de invernadero desbocado [81] – y su temperatura de equilibrio es de unos 250 K (−23 °C; −10 °F) a 300 K (27 °C; 80 °F). [15] Que el planeta sea realmente habitable depende de la naturaleza de la envoltura [32] y del albedo de las nubes [74] y las neblinas; [82] las capas más profundas de la atmósfera pueden ser demasiado calientes, [44] mientras que las capas que contienen agua pueden [27] o no tener temperaturas y presiones adecuadas para el desarrollo de la vida. [83]
Los microorganismos de la Tierra pueden sobrevivir en atmósferas ricas en hidrógeno, lo que demuestra que el hidrógeno no es un impedimento para la vida. Sin embargo, varios gases biofirmados que se utilizan para identificar la presencia de vida no son indicadores fiables cuando se encuentran en una atmósfera rica en hidrógeno, por lo que se necesitarían diferentes marcadores para identificar la actividad biológica en K2-18b. [84] Según Madhusudhan et al., varios de estos marcadores podrían ser detectados por el telescopio espacial James Webb después de un número razonable de observaciones. [85]
Historia del descubrimiento y la investigación
El planeta fue descubierto en 2015 por el telescopio espacial Kepler , [86] [87] [88] y su existencia fue confirmada posteriormente con el telescopio espacial Spitzer y mediante técnicas de velocidad Doppler . [58] Los análisis de los tránsitos descartaron que fueran causados por estrellas compañeras invisibles , [88] por múltiples planetas o errores sistemáticos de las observaciones. [89] Las primeras estimaciones del radio de la estrella tenían errores sustanciales, lo que llevó a estimaciones incorrectas del radio del planeta y a una sobrestimación de la densidad del planeta. [90] El descubrimiento de la firma espectroscópica de vapor de agua en K2-18b en 2019 fue el primer descubrimiento de vapor de agua en un exoplaneta que no es un Júpiter caliente [8] y generó mucha discusión. [29]
K2-18b se ha utilizado como caso de prueba para estudios de exoplanetas . [51] Las propiedades de K2-18b han llevado a la definición de un " planeta hyceano ", un tipo de planeta que tiene abundante agua líquida y una envoltura de hidrógeno. Anteriormente se pensaba que los planetas con tales composiciones eran demasiado calientes para ser habitables; los hallazgos en K2-18b sugieren en cambio que podrían ser lo suficientemente fríos como para albergar océanos de agua líquida propicios para la vida. El fuerte efecto invernadero de la envoltura de hidrógeno podría permitirles seguir siendo habitables incluso a bajas tasas de instalación. [91] K2-18b es probablemente el "planeta hyceano" más conocido. [92] Son posibles otras composiciones no hyceanas, tanto habitables como inhabitables. [93] [74]
Hay algunas evidencias de la presencia de sulfuro de dimetilo (DMS) y cloruro de metilo en la atmósfera. La presencia de DMS es una biofirma potencial, ya que la mayor parte del DMS en la atmósfera de la Tierra es emitido por el fitoplancton en ambientes marinos, [94] aunque se requieren más observaciones para confirmar la presencia de DMS y descartar un origen geológico o químico para el compuesto. [95] [96] Algunos científicos han expresado su preocupación por la importancia estadística de la señal de DMS en K2-18b, y cómo su supuesta detección podría entenderse en un entorno diferente a la Tierra. [97] En 2024, Wogan et al. sugirieron que las altas concentraciones de metano podrían implicar la presencia de vida metanogénica [98] o una mezcla ascendente de gases desde el interior profundo, si el planeta es demasiado caliente para la vida. [99]
En enero de 2024 , en el sitio web de la Planetary Society, la astrofísica de la NASA Knicole Colón describió algunos de los resultados científicos de las observaciones de K2-18b realizadas por el JWST. Se esperaba que los datos del instrumento MIRI del JWST se recopilaran en enero de 2024, sobre lo que Colón dijo: "MIRI podrá ver características adicionales, características de absorción de estas moléculas y validar nuevamente la presencia de lo que hemos visto e incluso la abundancia". Colón también habla sobre la falta de evidencia de agua en la atmósfera: "El hecho de que los datos del JWST básicamente no encontraran evidencia sólida de agua en la atmósfera, eso podría indicar un par de cosas". [100]
^ Las observaciones de planetas en tránsito se basan en la comparación de la apariencia del planeta con la apariencia de la superficie de la estrella que no está cubierta por el planeta, por lo que las variaciones en la apariencia de la estrella pueden confundirse con los efectos del planeta. [10]
^ Las interacciones de marea son interacciones mutuas, mediadas por la gravedad , entre cuerpos astronómicos que están en movimiento unos con respecto a otros. [13]
^ Una envoltura es una atmósfera que se originó junto con el propio planeta a partir de un disco protoplanetario . En los gigantes gaseosos , las atmósferas constituyen la mayor parte de la masa del planeta. [18]
^ Una composición similar a la de Neptuno implica que, además de agua y rocas, el planeta contiene cantidades sustanciales de hidrógeno y helio . [19]
^ La falta de amoníaco y metano en atmósferas de exoplanetas similares a Neptuno se conoce como el "problema del metano faltante" y es un misterio sin resolver a partir de 2021. [update][ 43] Las concentraciones inusualmente bajas de amoníaco y metano podrían deberse a la vida, a procesos fotoquímicos [32] o a la congelación del metano. [44]
^ La radiación UV dura significa radiación UV con longitudes de onda cortas; [56] Las longitudes de onda más cortas implican una frecuencia más alta y una mayor energía por fotón . [57]
Referencias
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^ ab Blain, Charnay y Bézard 2021, p. 2.
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