Los científicos que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA acaban de hacer un descubrimiento revolucionario que revela cómo se forman los planetas. Al observar el vapor de agua en los discos protoplanetarios, Webb confirmó un proceso físico que supone la deriva de sólidos cubiertos de hielo desde las regiones exteriores de los discos hacia su interior, en la zona de los planetas rocosos.
Desde hace mucho tiempo se ha propuesto que los guijarros de hielo que se forman en las frías regiones exteriores de los discos protoplanetarios —la misma región donde se originan los cometas en nuestro sistema solar— deberían ser las semillas fundamentales de la formación de planetas. El principal requisito que deben cumplir estas teorías es que los guijarros deberían desplazarse hacia el interior hasta la región cercana a la estrella debido a la fricción dentro del disco gaseoso, llevando sólidos y agua a los planetas.
Una predicción fundamental de esta teoría es que a medida que los guijarros helados ingresan a la región más cálida por debajo de la “cota de nieve” —donde el hielo se convierte en vapor—, deberían liberar grandes cantidades de vapor de agua fría. Esto es exactamente lo que observó Webb.
“Webb finalmente ha revelado la conexión entre el vapor de agua en el disco interior y la deriva de guijarros de hielo provenientes del disco exterior”, dijo el investigador principal, Andrea Banzatti, de la Universidad Estatal de Texas en San Marcos, Texas. “¡Este hallazgo abre perspectivas interesantes para estudiar la formación de planetas rocosos con Webb!”.
“En el pasado, teníamos esta imagen muy estática de la formación de los planetas, casi como si existieran estas zonas aisladas a partir de las cuales se formaron los planetas”, explicó Colette Salyk, integrante del equipo e investigadora del Vassar College en Poughkeepsie, Nueva York. “Ahora tenemos evidencia de que estas zonas pueden interactuar entre sí. También es algo que se propone que haya sucedido en nuestro sistema solar”.
Ilustración: Esta ilustración compara dos tipos de discos típicos de formación de planetas alrededor de estrellas recién nacidas similares al Sol. A la izquierda está un disco compacto y a la derecha está un disco extendido con espacios entre los anillos. Los científicos que utilizaron Webb estudiaron recientemente cuatro discos protoplanetarios: dos compactos y dos extendidos. Los investigadores diseñaron sus observaciones para poner a prueba si los discos compactos de formación planetaria tienen más agua en sus regiones internas que los discos de formación planetaria extendidos con intervalos. Esto sucedería si los guijarros cubiertos de hielo en los discos compactos se desplazaran de manera más eficiente hacia las regiones más cercanas que rodean a la estrella y transportaran grandes cantidades de sólidos y agua a los planetas interiores rocosos que apenas se están formando. Las investigaciones actuales proponen que es posible que los planetas grandes produzcan anillos de mayor presión, donde tienden a acumularse los guijarros. A medida que los guijarros se desplazan, cada vez que encuentran un aumento en la presión, tienden a acumularse allí. Estas trampas de presión no necesariamente impiden la deriva de los guijarros, pero sí la obstaculizan. Esto es lo que parece estar sucediendo en los discos grandes con anillos y espacios. Esto también podría haber sido un efecto de Júpiter en nuestro sistema solar: inhibir el suministro de guijarros y agua a nuestros planetas interiores, rocosos y pequeños, y relativamente pobres en agua.
NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Aprovechando el poder de Webb
Los investigadores utilizaron el instrumento de infrarrojo medio (MIRI, por sus siglas en inglés) de Webb para estudiar cuatro discos —dos compactos y dos extendidos— alrededor de estrellas similares al Sol. Se estima que estas cuatro estrellas tienen entre dos y tres millones de años, apenas recién nacidas en el tiempo cósmico.
Se espera que los dos discos compactos experimenten una deriva eficiente de guijarros, transportándolos a una distancia equivalente a la órbita de Neptuno. Por el contrario, se espera que los guijarros de los discos extendidos queden retenidos en múltiples anillos a una distancia tan lejana como hasta seis veces la órbita de Neptuno.
Las observaciones de Webb fueron diseñadas para determinar si los discos compactos tienen una mayor abundancia de agua en la región interior de sus planetas rocosos, como sería de esperar si la deriva de guijarros es más eficiente y transporta una gran cantidad de masa sólida y agua a los planetas interiores. El equipo decidió utilizar el espectrómetro de resolución media (MRS, por sus siglas en inglés) de MIRI porque es sensible al vapor de agua de los discos.
Los resultados confirmaron sus expectativas al revelar un exceso de agua fría en los discos compactos, en comparación con los discos grandes.
Espectro de emisiones; abundancia de agua: Esta gráfica compara los datos espectrales de agua cálida y fría en el disco GK Tau, el cual es un disco compacto sin anillos, y el disco extendido CI Tau, el cual tiene al menos tres anillos en órbitas diferentes. El equipo científico empleó el poder de resolución sin precedentes del espectrómetro de resolución media (MRS) de MIRI para separar los espectros en líneas individuales que exploran el agua a diferentes temperaturas. Estos espectros, que se muestran en la gráfica de arriba, revelan claramente un exceso de agua fría en el disco compacto GK Tau, en comparación con el disco grande CI Tau. La gráfica de abajo muestra los datos del exceso de agua fría en el disco compacto GK Tau menos los datos del agua fría en el disco extendido CI Tau. Los datos reales, en morado, están superpuestos en un modelo de espectro de agua fría. Nótese lo cerca que se alinean.
A medida que los guijarros se desplazan, cada vez que encuentran un “salto” —un aumento— en la presión, tienden a acumularse allí. Estas trampas de presión no necesariamente impiden la deriva de los guijarros, pero sí la obstaculizan. Esto es lo que parece estar sucediendo en los discos grandes con anillos y espacios entre los anillos.
Las investigaciones actuales proponen que es posible que los planetas grandes produzcan anillos de mayor presión, donde tienden a acumularse los guijarros. Esto también podría haber sido un efecto de Júpiter en nuestro sistema solar: inhibir el suministro de guijarros y agua a nuestros planetas interiores, rocosos y pequeños, y relativamente pobres en agua.
Resolviendo el acertijo
Cuando los datos llegaron por primera vez, los resultados desconcertaron al equipo de investigación. “Durante dos meses, estuvimos estancados en estos resultados preliminares que nos indicaban, en términos generales, que los discos compactos tenían agua más fría y los discos grandes tenían agua más caliente”, recordó Banzatti. “Esto no tenía sentido, porque habíamos seleccionado una muestra de estrellas con temperaturas muy similares”.
Solo cuando Banzatti superpuso los datos de los discos compactos a los datos de los discos grandes surgió claramente la respuesta: los discos compactos tienen agua extrafría justo dentro de la cota de nieve, unas diez veces más cerca que la órbita de Neptuno.
“Ahora por fin vemos con toda claridad que es el agua más fría la que tiene un exceso”, dijo Banzatti. “¡Esto no tiene precedentes y se debe enteramente al mayor poder de resolución de Webb!”.
Esta gráfica es una interpretación de los datos del instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb, el cual es sensible al vapor de agua de los discos. Muestra la diferencia entre la deriva de guijarros y el contenido de agua en un disco compacto contra un disco extendido con anillos e intervalos. En el disco compacto de la izquierda, cuando los guijarros cubiertos de hielo se desplazan hacia el interior hasta la región más cálida y cercana a la estrella, no tienen obstáculos. A medida que cruzan la cota de nieve, su hielo se convierte en vapor y proporciona una gran cantidad de agua para enriquecer los planetas interiores rocosos que apenas se están formando. A la derecha está un disco extendido con anillos e intervalos. A medida que los guijarros cubiertos de hielo comienzan su viaje hacia el interior, muchos quedan detenidos por los intervalos y quedan atrapados en los anillos. Menos guijarros helados pueden cruzar la cota de nieve para llevar agua a la región interior del disco.
NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Los resultados del equipo de investigadores aparecen en la edición del 8 de noviembre de la revista científica Astrophysical Journal Letters.
El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. Webb está resolviendo los misterios de nuestro sistema solar, viendo más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorando las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar dentro de él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios: la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense.
Con información NASA
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