Webb revela la química del entorno original de los planetas rocosos
Un primer análisis de datos del telescopio espacial Webb ha revelado detalles de la química de las regiones de los discos en torno a estrellas jóvenes donde se forman los planetas rocosos.
Ya en esa etapa, los datos revelan que los discos son químicamente diversos y ricos en moléculas como agua, dióxido de carbono y compuestos de hidrocarburos orgánicos como el benceno, así como pequeños granos de carbono y silicatos, según revela un programa de observación liderado por MPIA (Instituto Max Planck de Astronomía).
Las nuevas observaciones de una muestra de discos de formación de planetas alrededor de estrellas jóvenes obtenidas con el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) a bordo del Webb proporcionan una primera mirada a cómo esta poderosa herramienta impulsará nuestra comprensión de la formación de planetas terrestres.
Astrónomos de 11 países europeos se han reunido en el proyecto MINDS (MIRI mid-Infrared Disk Survey) para investigar las condiciones en las regiones internas de dichos discos donde se espera que se formen planetas rocosos a partir del gas y el polvo que contienen. Dan el siguiente paso para descifrar las condiciones de los discos de formación de planetas, un requisito previo para identificar los procesos que conducen a cuerpos sólidos, como planetas y cometas, que componen los sistemas planetarios.
Los resultados iniciales presentados en dos artículos demuestran la diversidad de cunas de planetas rocosos. Los discos van desde entornos ricos en compuestos que contienen carbono, incluidas moléculas orgánicas tan complejas como el benceno, hasta aglomerados que contienen dióxido de carbono y trazas de agua. Al igual que las huellas dactilares, estos productos químicos producen marcadores identificables de forma única en los espectros que los astrónomos obtuvieron con sus observaciones. Un espectro es una exhibición de luz similar a un arco iris o, como en este caso, por ejemplo, radiación infrarroja, que se divide en los colores que la componen.
"Estamos impresionados por la calidad de los datos que produjo MIRI", dice en un comunicado Thomas Henning, director del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania. Es el investigador principal del programa MINDS de observación de tiempo garantizado (GTO) de Webb. "Esta gran cantidad de líneas espectrales no solo revela la composición química del material del disco que finalmente se convierte en planetas y sus atmósferas. También nos permite determinar condiciones físicas como densidades y temperaturas a través y dentro de esos discos de formación de planetas, directamente donde los planetas crecer."
"Ahora podemos estudiar los componentes químicos en esos discos con mucha más precisión", dice Sierra Grant, un postdoctorado en el Instituto Max Planck de Física extraterrestre (MPE) en Garching, Alemania. Es la autora principal de un artículo que analiza un disco alrededor de una estrella joven de baja masa que se publicó en The Astrophysical Journal Letters. "El disco interior cálido alrededor de GW Lup parece estar bastante seco. Si bien detectamos claramente moléculas que contienen carbono y oxígeno, hay mucha menos agua presente de lo esperado", explica Grant.
Un hueco alrededor de la estrella central sin gas explicaría la falta de agua. "Si ese agujero se extendiera entre las líneas de nieve de agua y dióxido de carbono, explicaría por qué encontramos tan poco vapor de agua allí", dice Grant. Las líneas de nieve indican zonas similares a anillos a diferentes distancias de la estrella donde las temperaturas descienden a valores en los que ciertas especies químicas se congelan. La línea de nieve del agua está más cerca de la estrella que la del dióxido de carbono.
Por lo tanto, si una cavidad se extiende más allá de la línea de nieve del agua, el gas fuera de este perímetro aún contendría dióxido de carbono pero solo poca agua. Cualquier planeta que se forme allí inicialmente estaría bastante seco. Por lo tanto, pequeños objetos helados como los cometas del sistema planetario exterior podrían ser la única fuente sustancial de agua. Por otro lado, si un planeta interactuando con el disco fuera el responsable de tal brecha, esto sugeriría que el planeta habría acumulado agua durante su formación.
El equipo también detectó por primera vez una versión mucho más rara de la molécula de dióxido de carbono en un disco protoplanetario que contiene un átomo de carbono ligeramente más pesado que el tipo mucho más frecuente. En contraste con el dióxido de carbono "normal" que simplemente sondea la superficie del disco más caliente, la radiación del hermano más pesado puede escapar del disco desde capas más profundas y más frías. El análisis da como resultado temperaturas desde alrededor de 200 Kelvin (-75 grados Celsius) cerca del plano medio del disco hasta aproximadamente 500 Kelvin (+225 grados Celsius) en su superficie.
La vida parece requerir carbono, formando compuestos complejos. Si bien las moléculas simples que contienen carbono, como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, impregnan la mayoría de los discos de formación de planetas, la rica química de hidrocarburos del siguiente disco es bastante inusual.
El espectro del disco alrededor de la estrella de baja masa J160532 revela gas de hidrógeno cálido y compuestos de hidrógeno y carbono a temperaturas de alrededor de 230 grados centígrados", dice Benoît Tabone, investigador del CNRS en el Institut d'Astrophysique Spatiale, Universidad Paris-Saclay, Francia, y autor principal de otro estudio de MINDS, que está disponible en el servidor de preimpresión arXiv. La señal espectral más fuerte proviene de moléculas de acetileno calientes, cada una de las cuales consta de dos átomos de carbono y dos de hidrógeno.
Otros gases igualmente calientes de moléculas orgánicas son el diacetileno y el benceno, las primeras detecciones en un disco protoplanetario, y probablemente también el metano. Estas detecciones indican que este disco contiene más carbono que oxígeno. Tal mezcla en la composición química también podría influir en las atmósferas de los planetas que se forman allí. En cambio, el agua parece casi ausente. En cambio, la mayor parte del agua puede estar encerrada en guijarros helados del disco exterior más frío, no rastreable por estas observaciones.
Además del gas, el material sólido es un constituyente típico de los discos protoplanetarios. Gran parte consiste en granos de silicato, básicamente arena fina. Crecen desde nanopartículas hasta agregados de tamaño micrométrico estructurados aleatoriamente. Cuando se calientan, pueden asumir estructuras cristalinas. Un trabajo publicado por un equipo dirigido por Ágnes Kóspál (MPIA y Observatorio Konkoly, Budapest, Hungría), que no forma parte del programa MINDS, demuestra cómo estos cristales pueden entrar en los guijarros rocosos que eventualmente construirán planetas terrestres. Los científicos encuentran tales cristales también en cometas y en la corteza terrestre. Ese trabajo también se publica en The Astrophysical Journal Letters.
El equipo redescubrió cristales detectados hace años en el disco alrededor de la estrella en erupción recurrente EX Lup, que acababa de recuperarse de un estallido reciente. Proporcionó el calor necesario para el proceso de cristalización. Después de un período de ausencia, estos cristales ahora reaparecieron en sus espectros, aunque a temperaturas mucho más bajas, lo que los alejó más de la estrella. Este redescubrimiento indica que los arrebatos repetidos pueden ser esenciales para proporcionar algunos de los componentes básicos de los sistemas planetarios.
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