Planeta en desaparición: la atmósfera evanescente de GJ 3470b

Un mundo que se desvanece visto en el ultravioleta

Para los astrónomos que observan en luz ultravioleta, un mundo del tamaño de Neptuno a unos 96 años luz de distancia se parece menos a un planeta y más a un cometa. Los espectros del Telescopio Espacial Hubble revelan una vasta nube de hidrógeno neutro que rodea a GJ 3470b, expulsada del planeta y fluyendo hacia el espacio; la señal es lo suficientemente fuerte como para que los investigadores estimen que el planeta ya ha perdido una fracción considerable de su masa original y se está evaporando más rápido que cualquier otro mundo comparable estudiado hasta ahora.

Cómo se encontró la señal

La detección proviene de observaciones repetidas del tránsito de GJ 3470b a través de su estrella anfitriona, una enana roja, realizadas en la línea Lyman-α del hidrógeno como parte del programa Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET). Los datos del Hubble muestran una absorción profunda y repetible durante el tránsito: aproximadamente un 35 % en el ala azul de la línea y un 23 % en el ala roja, firmas que apuntan a una envoltura de hidrógeno neutro grande y estructurada que se extiende mucho más allá del lóbulo de Roche del planeta. Estas mediciones permitieron al equipo modelar el material que escapa e inferir una tasa de pérdida de hidrógeno neutro contemporánea del orden de 10^10 gramos por segundo.

Física del escape: calentamiento, presión de radiación y límites de Roche

Los planetas cercanos están bañados por la radiación de rayos X y ultravioleta extremo (XUV) de su estrella. Esa energía calienta la atmósfera superior, impulsándola hacia un flujo hidrodinámico: el gas se expande hasta que las partículas individuales escapan de la gravedad del planeta. En el caso de GJ 3470b, este proceso se amplifica porque el mundo tiene una densidad relativamente baja y orbita una enana M joven y activa, por lo que la presión de radiación de la estrella y el flujo de alta energía empujan el hidrógeno neutro a altas velocidades. Las simulaciones numéricas que combinan la irradiación estelar observada con la dinámica de partículas reproducen las firmas de absorción del Hubble e implican que el planeta está perdiendo material mucho más rápido que los Neptunos cálidos medidos anteriormente.

La forma de la exosfera da una pista sobre la dinámica

La absorción de GJ 3470b es asimétrica en velocidad, con componentes desplazados tanto hacia el azul como hacia el rojo. Ese patrón —un ala azul extendida que indica átomos acelerados alejándose de la estrella y un ala roja consistente con gas denso y de movimiento lento— sugiere múltiples regiones en el flujo de escape. El análisis favorece una termosfera elipsoidal y alargada que puede extenderse decenas de radios planetarios por delante y por detrás del planeta, y puede incluir una capa de choque donde el gas planetario que fluye hacia el exterior colisiona con el viento estelar. Estos detalles geométricos son los que permiten a los astrónomos pasar de una mera detección de una nube a una estimación de la historia de la pérdida de masa.

Cuánto se ha perdido ya y qué puede deparar el futuro

Proyectando la tasa de escape inferida hacia atrás bajo suposiciones razonables sobre la actividad pasada de la estrella, el equipo estima que GJ 3470b puede haber perdido ya entre aproximadamente el 4 % y el 35 % de su masa total actual a lo largo de sus aproximadamente dos mil millones de años de vida, y esa fracción podría ser mayor si la estrella fuera dramáticamente más brillante en XUV cuando era joven. Un escape continuo a tasas promedio comparables podría despojar al planeta de la mayor parte de su envoltura de hidrógeno en unos pocos miles de millones de años, dejando atrás un núcleo rocoso mucho más pequeño; una ruta evolutiva que puede ayudar a explicar por qué se observan tan pocos planetas del tamaño de Neptuno muy cerca de sus estrellas. Sin embargo, los cálculos conllevan incertidumbres sustanciales: las tasas de pérdida de masa dependen de la incierta historia de la actividad estelar, la composición y estructura térmica de la atmósfera y las interacciones con el viento estelar.

Contexto: el desierto de evaporación y la evolución de la población

Los sondeos de exoplanetas han observado desde hace tiempo una relativa escasez de planetas de tamaño intermedio a distancias orbitales cortas, una característica a veces llamada el "desierto de evaporación". Una explicación es que muchos Neptunos cálidos se formaron con gruesas envolturas de hidrógeno/helio pero fueron reducidos a supertierras y minineptunos por el escape atmosférico sostenido. GJ 3470b se encuentra cerca del borde de ese desierto, y su vívida pérdida continua proporciona un ejemplo directo y observable del mecanismo de erosión en acción. Comparar GJ 3470b con el Neptuno en evaporación más conocido, GJ 436b, muestra que el comportamiento de escape puede variar ampliamente entre planetas similares debido a las diferencias en la densidad y la actividad de la estrella anfitriona.

Desafíos observacionales y por qué el ultravioleta es crítico

El estudio del escape de hidrógeno depende de la espectroscopia ultravioleta, y eso presenta una limitación observacional importante: el medio interestelar dispersa y absorbe la línea Lyman-α, por lo que solo los sistemas relativamente cercanos —dentro de unos 150 años luz y con líneas de visión favorables— son accesibles. La capacidad ultravioleta del Hubble ha sido, por tanto, esencial, y el enfoque de épocas múltiples del programa PanCET hizo posible separar las señales planetarias de la variabilidad estelar y los efectos instrumentales. Trazadores complementarios, como el helio visto en el infrarrojo, evitan algunas de las limitaciones de Lyman-α y son accesibles para instrumentos como el Telescopio Espacial James Webb y espectrógrafos terrestres sintonizados con las líneas de helio; esas observaciones son de alta prioridad porque pueden sondear regiones de menor velocidad del flujo y ayudar a completar el balance de la pérdida de masa total.

Preguntas abiertas y próximos pasos

A pesar de la claridad de la señal del Hubble, persisten incertidumbres clave. Traducir una tasa de pérdida de hidrógeno neutro medida a una pérdida de masa atmosférica total requiere suposiciones sobre el equilibrio de ionización y la fracción de especies más pesadas arrastradas en el flujo. La historia de alta energía de la estrella —qué tan luminosa era en XUV cuando era joven— domina las estimaciones de la pérdida de masa integrada y solo está restringida indirectamente. De cara al futuro, los astrónomos planean un seguimiento en múltiples longitudes de onda: búsquedas de helio en el infrarrojo, monitoreo ultravioleta adicional para verificar la estabilidad a largo plazo o los cambios vinculados a la actividad estelar, y sondeos comparativos que amplíen la muestra de Neptunos cálidos observados en Lyman-α. Juntas, estas observaciones refinarán el papel de la evaporación en la configuración de las poblaciones de exoplanetas.

GJ 3470b es, por tanto, un laboratorio y una advertencia: bajo la influencia implacable de una estrella cercana, un mundo puede desprenderse lentamente de sus capas hasta convertirse en algo completamente diferente. Esa evolución —desordenada, prolongada y visible si se sabe dónde mirar— puede ser un capítulo común en las historias de vida de muchos planetas que orbitan estrellas pequeñas y activas.

Fuentes

• Astronomy & Astrophysics (artículo de investigación: "Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b").
• Materiales de prensa de la Universidad Johns Hopkins / PanCET sobre las observaciones del Hubble de GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (soporte de la misión Hubble y documentación del programa PanCET).