Los científicos que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA acaban de hacer un descubrimiento revolucionario al revelar cómo se forman los planetas. Al observar el vapor de agua en los discos protoplanetarios , Webb confirmó un proceso físico que implica la deriva de sólidos cubiertos de hielo desde las regiones exteriores del disco hacia la zona rocosa del planeta.
Desde hace mucho tiempo se ha propuesto que los guijarros helados que se forman en las frías regiones exteriores de los discos protoplanetarios (la misma zona donde se originan los cometas en nuestro sistema solar) deberían ser las semillas fundamentales de la formación de planetas. El principal requisito de estas teorías es que los guijarros deberían desplazarse hacia el interior de la estrella debido a la fricción en el disco gaseoso, entregando 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 dentro de la “línea 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 reveló la conexión entre el vapor de agua en el disco interior y la deriva de guijarros helados desde el disco exterior”, dijo la investigadora principal Andrea Banzatti de la Universidad Estatal de Texas, 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 planetas, casi como si existieran zonas aisladas a partir de las cuales se formaban los planetas”, explicó Colette Salyk, miembro del equipo 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”.
Imagen: Discos formadores de planetas
Concepto artístico: El concepto artístico de este artista compara dos tipos de discos típicos de formación de planetas alrededor de estrellas recién nacidas similares al Sol. A la izquierda hay un disco compacto y a la derecha un disco extendido con espacios. Los científicos que utilizaron Webb estudiaron recientemente cuatro discos protoplanetarios: dos compactos y dos extendidos. Los investigadores diseñaron sus observaciones para probar si los discos compactos de formación de planetas tienen más agua en sus regiones internas que los discos de formación de planetas extendidos con huecos. Esto sucedería si los guijarros cubiertos de hielo en los discos compactos se desplazaran más eficientemente hacia las regiones más cercanas a la estrella y entregaran grandes cantidades de sólidos y agua a los planetas interiores rocosos que recién se están formando. Las investigaciones actuales proponen que los planetas grandes pueden causar anillos de mayor presión, donde tienden a acumularse los guijarros. A medida que los guijarros se desplazan, cada vez que encuentran un aumento de presión, tienden a acumularse allí. Estas trampas de presión no necesariamente impiden la deriva de guijarros, pero sí la impiden. Esto es lo que parece estar sucediendo en los grandes discos con anillos y espacios. Esto también podría haber sido un papel de Júpiter en nuestro sistema solar: inhibir el suministro de guijarros y agua a nuestros planetas rocosos pequeños, interiores y relativamente pobres en agua.
Aprovechando el poder de Webb
Los investigadores utilizaron el MIRI (el instrumento de infrarrojo medio) 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 2 y 3 millones de años, apenas recién nacidas en el tiempo cósmico.
Se espera que los dos discos compactos experimenten una eficiente deriva de los guijarros, transportándolos a una distancia equivalente a la órbita de Neptuno. Por el contrario, se espera que los discos extendidos tengan sus guijarros retenidos en múltiples anillos 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 rocosa del planeta interior, como se esperaba si la deriva de los guijarros es más eficiente y está entregando mucha masa sólida y agua a los planetas interiores. El equipo optó por utilizar el MRS (el espectrómetro de resolución media) de MIRI porque es sensible al vapor de agua en los discos.
Los resultados confirmaron las expectativas al revelar un exceso de agua fría en los discos compactos, en comparación con los discos grandes.
Imagen: Abundancia de agua
Espectro de emisión: abundancia de agua: este gráfico compara los datos espectrales de agua cálida y fría en el disco GK Tau, que es un disco compacto sin anillos, y el disco CI Tau extendido, que tiene al menos tres anillos en diferentes órbitas. El equipo científico empleó el poder de resolución sin precedentes del MRS (espectrómetro de resolución media) de MIRI para separar los espectros en líneas individuales que exploran el agua a diferentes temperaturas. Estos espectros, que se ven en el gráfico superior, revelan claramente un exceso de agua fría en el disco compacto GK Tau, en comparación con el gran disco CI Tau. El gráfico inferior muestra el exceso de datos de agua fría en el disco compacto GK Tau menos los datos de agua fría en el disco CI Tau extendido. Los datos reales, en color violeta, están superpuestos en un espectro modelo de agua fría. Observe cuán estrechamente se alinean.
A medida que los guijarros se desplazan, cada vez que encuentran un aumento de presión (un aumento de presión) tienden a acumularse allí. Estas trampas de presión no necesariamente impiden la deriva de guijarros, pero sí la impiden. Esto es lo que parece estar sucediendo en los grandes discos con anillos y espacios.
Las investigaciones actuales proponen que los planetas grandes pueden causar anillos de mayor presión, donde tienden a acumularse los guijarros. Esto también podría haber sido un papel de Júpiter en nuestro sistema solar: inhibir el suministro de guijarros y agua a nuestros planetas rocosos pequeños, interiores y relativamente pobres en agua.
Resolviendo el acertijo
Cuando llegaron los datos por primera vez, los resultados desconcertaron al equipo de investigación. “Durante dos meses, estuvimos estancados en estos resultados preliminares que nos decían que los discos compactos tenían agua más fría y los discos grandes tenían agua más caliente en general”, recordó Banzatti. “Esto no tenía sentido, porque habíamos seleccionado una muestra de estrellas con temperaturas muy similares”.
Sólo 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 extra fría justo dentro de la línea de nieve, aproximadamente diez veces más cerca que la órbita de Neptuno.
“Ahora por fin vemos claramente que es el agua más fría la que tiene un exceso”, afirmó Banzatti. “¡Esto no tiene precedentes y se debe enteramente al mayor poder de resolución de Webb!”
Imagen: Deriva de guijarros helados
Este gráfico es una interpretación de los datos del MIRI de Webb, el instrumento de infrarrojo medio, que es sensible al vapor de agua en los discos. Muestra la diferencia entre la deriva de guijarros y el contenido de agua en un disco compacto versus un disco extendido con anillos y espacios. En el disco compacto de la izquierda, a medida que los guijarros cubiertos de hielo se desplazan hacia la región más cálida y cercana a la estrella, no tienen obstáculos. A medida que cruzan la línea de nieve, su hielo se convierte en vapor y proporciona una gran cantidad de agua para enriquecer los planetas interiores rocosos que recién se están formando. A la derecha hay un disco extendido con anillos y huecos. A medida que los guijarros cubiertos de hielo comienzan su viaje hacia el interior, muchos quedan detenidos por los huecos y atrapados en los anillos. Menos piedras heladas pueden cruzar la línea de nieve para llevar agua a la región interior del disco.
Los resultados del equipo aparecen en la edición del 8 de noviembre de Astrophysical Journal Letters .
El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio científico espacial del mundo. Webb está resolviendo misterios en nuestro sistema solar, mirando más allá, hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas, y explorando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
