Los exoplanetas que orbitan muy cerca de sus estrellas están sometidos a una intensa radiación que puede calentar y expandir sus atmósferas hasta provocar la pérdida de grandes cantidades de gas hacia el espacio. Estos flujos, conocidos como vientos planetarios, ofrecen una oportunidad única para estudiar cómo evolucionan las atmósferas de otros mundos.
Sin embargo, un nuevo estudio del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), publicado en The Astrophysical Journal, demuestra que la composición del gas que escapa de un planeta puede ser diferente de la de su atmósfera. En concreto, el trabajo, realizado por los investigadores del IAA-CSIC, Leonardos Gkouvelis y Francisco J. Pozuelos, revela que un planeta con una atmósfera rica en hidrógeno y helio puede generar un viento planetario en el que este último elemento sea mucho menos abundante.
“Aunque actualmente no observamos fenómenos de esta magnitud en los planetas del Sistema Solar, el escape atmosférico pudo desempeñar un papel fundamental durante las primeras etapas de evolución de los planetas”, explica Leonardos Gkouvelis, coautor del estudio e investigador del IAA-CSIC contratado en el marco del programa Severo Ochoa.
El helio, una señal de las atmósferas que escapan
El helio se ha convertido en una de las principales herramientas para estudiar los vientos planetarios. En las capas superiores de la atmósfera, este elemento produce una señal que puede detectarse desde la Tierra y que permite identificar el gas que escapa del planeta. Instrumentos de alta resolución como CARMENES, instalado en el Observatorio de Calar Alto (CAHA), han permitido aprovechar esta señal para estudiar con detalle las atmósferas en proceso de escape y comprender mejor cómo pierden gas hacia el espacio.
No obstante, las observaciones han revelado grandes diferencias en la cantidad de helio presente en los vientos de distintos exoplanetas. Mientras algunos muestran cantidades compatibles con atmósferas ricas en hidrógeno y helio, otros presentan vientos muy pobres en este elemento.
“Hasta ahora, estos resultados se habían interpretado como una posible señal de que algunos planetas habían perdido helio durante su evolución y que sus atmósferas eran, en conjunto, más pobres en este elemento”, señala Francisco J. Pozuelos, investigador del IAA-CSIC y coautor del estudio.
El nuevo trabajo plantea una explicación alternativa: un planeta puede conservar el helio en las capas más profundas de su atmósfera, aunque solo una pequeña parte llegue a las regiones superiores y escape al espacio.
Un filtro atmosférico que retiene el helio
La clave está en el recorrido del gas desde el interior de la atmósfera hasta las capas desde las que comienza a escapar al espacio. Cuando el gas asciende con suficiente intensidad, el hidrógeno y el helio se desplazan juntos y el viento conserva una composición similar a la de la atmósfera de la que procede. Sin embargo, si el transporte es más débil, el hidrógeno, al ser más ligero, puede ascender con mayor facilidad, mientras que el helio queda progresivamente retenido en las capas inferiores.
El resultado es un viento planetario en el que la proporción de helio puede ser mucho menor que la que existe en la atmósfera del planeta.
“Tendemos a interpretar la composición del material que escapa como una ventana hacia la atmósfera del planeta, pero nuestro trabajo muestra que esa ventana puede estar filtrada: un viento pobre en helio no significa necesariamente que el planeta sea pobre en helio”, afirma Gkouvelis.
El transporte del gas puede multiplicar por cien la cantidad de helio que escapa
Para cuantificar este proceso, los investigadores han desarrollado una teoría analítica que permite calcular cuánto helio alcanza la base del viento planetario. El modelo incluye un factor de retención que indica qué fracción del helio presente en las capas más profundas de la atmósfera llega a las regiones desde las que comienza el escape.
Al aplicar el modelo a una muestra de doce exoplanetas con observaciones de helio, los investigadores encuentran situaciones muy diferentes: en algunos, prácticamente todo el helio logra llegar al viento, mientras que en otros solo una pequeña parte lo consigue.
Según el estudio, este mecanismo puede hacer que la cantidad de helio que llega al viento sea más de cien veces mayor en unos planetas que en otros, incluso cuando sus atmósferas conservan una composición rica en hidrógeno y helio.
La cantidad de helio que alcanza las capas superiores influye en la intensidad de la señal que se observa desde la Tierra, aunque no es el único factor que interviene. Por tanto, el resultado introduce una precaución importante al interpretar estas observaciones: detectar poco helio en un viento planetario no implica necesariamente que el planeta tenga poco helio.
El trabajo establece así una conexión entre las capas profundas de un exoplaneta y las regiones superiores, donde su atmósfera interactúa con la radiación de la estrella y comienza a escapar.
Comprender estos procesos será cada vez más importante a medida que aumente el número de exoplanetas cuyas atmósferas puedan caracterizarse. “Futuros estudios podrán combinar este modelo con simulaciones más detalladas y con nuevas observaciones para entender mejor cómo los planetas pierden sus atmósferas y cómo estas evolucionan a lo largo del tiempo”, concluye Francisco J. Pozuelos.
