Atmósferas secundarias en TRAPPIST-1: candidatos prioritarios y lo que ya ha revelado el James Webb

Introducción: un laboratorio natural para la ciencia de exoplanetas

El sistema planetario TRAPPIST-1 constituye uno de los objetos de estudio más relevantes de la astrofísica contemporánea en el ámbito de los exoplanetas. Está situado a una distancia de aproximadamente 39–41 años luz de la Tierra, en la constelación de Acuario, y está dominado por una estrella enana ultrafría de tipo espectral M8, con apenas un 9 % de la masa del Sol y una luminosidad extremadamente baja.

TRAPPIST-1 fue descubierto en 2015, y caracterizado de forma definitiva en 2017, cuando se anunció la existencia de siete planetas de tamaño terrestre orbitando la estrella en un sistema compacto y resonante. Este hallazgo marcó un punto de inflexión en la búsqueda de mundos rocosos fuera del Sistema Solar, ya que por primera vez se identificaba un conjunto completo de planetas comparables en tamaño a la Tierra alrededor de una estrella cercana.

Tres de estos planetas —TRAPPIST-1 e, f y g— se sitúan dentro o cerca de la llamada zona habitable, definida como la región donde el agua líquida podría existir en la superficie bajo condiciones atmosféricas adecuadas. Sin embargo, la habitabilidad potencial de estos mundos depende de manera crítica de una cuestión aún abierta: ¿han logrado retener atmósferas secundarias a lo largo de miles de millones de años?

Atmósferas primordiales y secundarias: el marco teórico

Las atmósferas planetarias pueden clasificarse, de forma esquemática, en dos grandes categorías. Las atmósferas primordiales, ricas en hidrógeno y helio, se forman directamente a partir del disco protoplanetario. En contraste, las atmósferas secundarias surgen posteriormente, como resultado de procesos internos (desgasificación volcánica), impactos o reacciones químicas entre la superficie y el interior del planeta.

En el entorno de TRAPPIST-1, la existencia de atmósferas primordiales es altamente improbable. Las enanas M jóvenes experimentan largos periodos de intensa actividad magnética, emitiendo radiación ultravioleta y rayos X capaces de erosionar con rapidez cualquier envoltura gaseosa ligera. Como consecuencia, si los planetas de TRAPPIST-1 conservan atmósferas hoy en día, estas deben ser delgadas, dominadas por moléculas pesadas (CO₂, H₂O, N₂) y, potencialmente, químicamente complejas.

Cómo se detecta una atmósfera secundaria compleja

La herramienta principal para investigar estas atmósferas es la espectroscopía de tránsito, que analiza la luz estelar filtrada por la atmósfera del planeta durante un tránsito. En el caso de atmósferas secundarias, las señales esperadas son sutiles: variaciones espectrales de apenas decenas de partes por millón, frecuentemente atenuadas por nubes o aerosoles.

A esta técnica se suman la medición precisa de masas y radios —que permite inferir densidades incompatibles con atmósferas infladas de hidrógeno— y el estudio de la emisión térmica durante eclipses secundarios. En conjunto, estas observaciones permiten discriminar entre planetas desnudos, atmósferas extremadamente delgadas y atmósferas secundarias verdaderamente desarrolladas.

Un sistema en equilibrio dinámico: resonancias y gravedad planetaria

Además de su interés atmosférico, TRAPPIST-1 destaca por su arquitectura orbital excepcional, gobernada por un delicado equilibrio gravitatorio entre los planetas. Los siete mundos forman una cadena de resonancias orbitales casi perfecta, en la que los periodos orbitales guardan relaciones de números enteros simples.

Este acoplamiento resonante implica que las interacciones gravitatorias entre los planetas no son perturbaciones caóticas, sino oscilaciones regulares y predecibles, que mantienen la estabilidad del sistema a lo largo de escalas de tiempo muy largas. Cada planeta “empuja” gravitatoriamente a sus vecinos en fases concretas de sus órbitas, compensando desviaciones y evitando encuentros cercanos desestabilizadores.

Este equilibrio poco común tiene varias consecuencias físicas relevantes:

• Permite medir las masas planetarias con gran precisión a través de las variaciones en los tiempos de tránsito (Transit Timing Variations, TTVs), una técnica clave para inferir densidades y composiciones internas.
• Indica una historia de migración orbital temprana, probablemente dentro del disco protoplanetario, que llevó a los planetas a asentarse en esta configuración compacta y resonante.
• Puede influir en la actividad geológica interna, ya que las fuerzas de marea variables inducidas por los vecinos podrían contribuir al calentamiento interno, favoreciendo procesos como el vulcanismo y, por extensión, la desgasificación atmosférica.

Desde el punto de vista atmosférico, este régimen gravitatorio sugiere que la evolución de cada planeta no puede considerarse de forma aislada. La estabilidad a largo plazo del sistema ha permitido que los planetas compartan un entorno dinámico constante durante miles de millones de años, creando condiciones propicias —aunque no garantizadas— para la formación y retención de atmósferas secundarias.

Los mejores candidatos en el sistema TRAPPIST-1

Entre los siete planetas conocidos, TRAPPIST-1 e, f y g emergen como los principales candidatos para albergar atmósferas secundarias complejas:

• TRAPPIST-1 e es el planeta mejor caracterizado del sistema. Su masa y radio indican una composición rocosa similar a la terrestre, y su nivel de irradiación estelar es compatible con la retención de una atmósfera secundaria estable. Es considerado el objetivo prioritario para la detección de CO₂ y vapor de agua.
• TRAPPIST-1 f y g reciben menos energía de la estrella, lo que reduce los procesos de escape atmosférico. Modelos teóricos sugieren que podrían mantener atmósferas dominadas por CO₂ o N₂, aunque posiblemente cubiertas por nubes que dificulten su detección directa.
• TRAPPIST-1 d ocupa una posición intermedia: podría poseer una atmósfera secundaria dinámica, afectada por fotoquímica intensa y pérdida parcial de gases.

Por el contrario, los planetas más internos, TRAPPIST-1 b y c, están sometidos a una irradiación tan elevada que se consideran candidatos poco probables para atmósferas sustanciales.

Qué ha revelado el James Webb hasta ahora

Desde el inicio de sus operaciones científicas, el James Webb Space Telescope (JWST) ha comenzado a proporcionar restricciones observacionales sin precedentes sobre las atmósferas de TRAPPIST-1.

Las observaciones de TRAPPIST-1 b y c han permitido descartar atmósferas densas ricas en CO₂, similares a la de Venus. Los espectros obtenidos son compatibles con planetas prácticamente desprovistos de atmósfera o con envolturas extremadamente tenues.

Para los planetas más prometedores —d, e, f y g— el JWST aún no ha confirmado de forma inequívoca la presencia de atmósferas secundarias, pero sí ha logrado excluir atmósferas infladas de hidrógeno y establecer límites superiores estrictos a la abundancia de gases pesados. Si existen atmósferas, estas deben ser compactas, pesadas y probablemente nubosas, en concordancia con las expectativas teóricas.

Lo que nos cuenta Doctor Fisión

Cuándo se espera una respuesta definitiva

La determinación de la existencia de atmósferas secundarias en TRAPPIST-1 no dependerá de una única observación, sino de la acumulación progresiva de datos. El consenso actual sitúa el horizonte temporal más realista entre 2026 y 2028, especialmente para TRAPPIST-1 e y f.

Durante este periodo se espera que el JWST acumule suficientes tránsitos para detectar —o descartar de manera robusta— firmas de CO₂, vapor de agua u otros gases pesados, y para distinguir entre superficies desnudas y atmósferas complejas atenuadas por aerosoles.

Más cerca de confirmar la existencia de vida en exoplanetas de otros sistemas estelares

El sistema TRAPPIST-1 representa una prueba crítica para nuestra comprensión de la evolución atmosférica de planetas rocosos alrededor de estrellas pequeñas. Los resultados actuales sugieren un escenario coherente: las atmósferas primordiales han desaparecido, los planetas interiores están probablemente desnudos y los mundos intermedios y exteriores podrían conservar atmósferas secundarias delgadas pero químicamente ricas.

Confirmar —o descartar— estas atmósferas no solo responderá a una pregunta específica sobre TRAPPIST-1, sino que tendrá implicaciones profundas para la frecuencia de planetas potencialmente habitables en la galaxia y para el futuro de la caracterización de mundos similares a la Tierra.