Los planetas se forman en discos de gas y polvo que orbitan alrededor de estrellas jóvenes. El MIRI Mid-Infrared Disk Survey (MINDS), dirigido por Thomas Henning del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, tiene como objetivo establecer una muestra de disco representativa. Al explorar su química y propiedades físicas con el MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) del Telescopio Espacial James Webb (JWST), la colaboración vincula estos discos con las propiedades de los planetas que pueden haberse formado allí. En un nuevo estudio, un equipo de investigadores buscó las proximidades de una estrella de masa extremadamente baja de 0,11 masas solares (conocida como ISO-ChaI 147), cuyos resultados aparecen en la revista. ciencia.
JWST abre una nueva ventana a la química de los discos formadores de planetas.
“Estas observaciones no son posibles desde la Tierra porque las emisiones de los gases relevantes son absorbidas por su atmósfera”, explicó el autor principal Aditya Arabavi de la Universidad de Groningen en los Países Bajos. “Anteriormente, sólo podíamos identificar la emisión de acetileno (C2H2) de este objeto. Sin embargo, la alta sensibilidad del JWST y la resolución espectral de sus instrumentos nos permitieron detectar emisiones más débiles de moléculas menos abundantes”.
La colaboración MINDS encontró gas a temperaturas de alrededor de 300 Kelvin (aproximadamente 30 grados Celsius), rico en moléculas que contienen carbono pero carente de especies ricas en oxígeno. “Esto es muy diferente de la composición que vemos en los discos alrededor de estrellas de tipo solar, donde dominan moléculas oxigenadas como el agua y el dióxido de carbono”, añadió la miembro del equipo Inga Kemp, de la Universidad de Groningen.
Un ejemplo sorprendente de un disco rico en oxígeno es el del PDS 70, donde el programa MINDS encontró recientemente grandes cantidades de vapor de agua. Basándose en observaciones anteriores, los astrónomos han planteado la hipótesis de que los discos alrededor de estrellas de baja masa evolucionan de manera diferente que los discos alrededor de estrellas más masivas como el Sol, donde se forman planetas rocosos con propiedades similares a las de la Tierra, con posibles implicaciones para el descubrimiento. Dado que la atmósfera en tales discos determina las condiciones bajo las cuales se forman nuevos planetas, cualquiera de esos planetas puede ser rocoso pero en otros aspectos muy diferente a la Tierra.
¿Qué significa esto para los planetas rocosos que orbitan alrededor de estrellas de muy baja masa?
La cantidad de material y su distribución en estos discos limita el número y tamaño de los planetas a los que el disco puede proporcionar el material necesario. Como resultado, las observaciones muestran que los planetas rocosos similares a la Tierra se forman de manera más eficiente en discos alrededor de estrellas de baja masa que los gigantes gaseosos como Júpiter, las estrellas más comunes del Universo. Como resultado, las estrellas de muy baja masa albergan con diferencia la mayoría de los planetas terrestres.
“Muchas de las atmósferas primarias de estos planetas probablemente estén dominadas por compuestos de hidrocarburos en lugar de gases ricos en oxígeno como el agua y el dióxido de carbono”, señaló Thomas Henning. “En un estudio anterior demostramos que el transporte de gas rico en carbono en la zona donde normalmente se forman los planetas terrestres es más rápido y más eficiente en estos discos que en estrellas más masivas”.
Aunque parece claro que el disco que rodea estrellas de muy baja masa contiene más carbono que oxígeno, aún se desconoce el mecanismo de este desequilibrio. La composición del disco es el resultado del enriquecimiento de carbono o del agotamiento de oxígeno. Si el carbono se enriquece, probablemente se deba a partículas sólidas en el disco, cuyo carbono se ha evaporado y ha quedado en el componente gaseoso del disco. Los granos de polvo, despojados de su carbono original, acaban formando cuerpos planetarios rocosos. Esos planetas perderán carbono, al igual que la Tierra. Aún así, la química basada en el carbono probablemente dominará al menos en las atmósferas centrales proporcionadas por el gas del disco. Por lo tanto, es posible que las estrellas de baja masa no ofrezcan los mejores entornos para encontrar planetas similares a la Tierra.
JWST descubre una gran cantidad de moléculas orgánicas.
Para identificar los gases del disco, el equipo utilizó el espectrógrafo de MIRI para resolver la radiación infrarroja recibida del disco en firmas de rangos de longitud de onda más cortos. De esta manera, el equipo aisló la gran cantidad de firmas individuales atribuidas a diferentes moléculas.
Como resultado, el disco observado tiene la química de hidrocarburos más rica observada en un disco protoplanetario hasta la fecha, incluidas moléculas con hasta 13 carbonos en benceno (C6H6). Estos incluyen la primera detección extrasolar de etano (C2H6), el hidrocarburo completamente saturado más grande encontrado fuera del Sistema Solar. El equipo también detectó con éxito por primera vez etileno (C2H4), propano (C3H4) y el radical metilo CH3 en un disco protoplanetario. Por el contrario, los datos no contenían ninguna indicación de agua o monóxido de carbono en el disco.
Mejora de la visión del disco alrededor de estrellas de muy baja masa
A continuación, el equipo científico planea ampliar su estudio a una muestra más grande de estos discos alrededor de estrellas de muy baja masa para aumentar su comprensión de cómo se forman estos exóticos planetas terrestres ricos en carbono. ¿Qué tan comunes son estas regiones? “Ampliar nuestro estudio también nos ayudará a comprender cómo se pueden formar estas moléculas”, explicó Thomas Henning. “Aún se desconocen varias características de los datos, lo que justifica una espectroscopia adicional para interpretar completamente nuestras observaciones”.
Información de contexto
Este estudio fue financiado en el marco de la Subvención Avanzada del ERC “Orígenes: desde discos formadores de planetas hasta planetas gigantes” (ID de subvención: 832428, PI: Thomas Henning, DOI: 10.3030/832428).
Los científicos del MPIA involucrados en esta investigación incluyen a Thomas Henning, Matthias Samland, Giulia Perotti, Jeroen Bouwman, Silvia Scheithauer, Riccardo Franceschi, Jürgen Schreiber y Kamber Schwartz.
Otros investigadores incluyen a Aditya Arabhavi (Universidad de Groningen, Países Bajos (Groningen)), Inga Kemp (Groningen), Eoin van Dyschweck (Universidad de Leiden, Países Bajos e Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania), Valentine Christiansen (U.N. I) están incluidos. Lieja, Bélgica) y Agnes Perrin (Laboratoire de Métrologie Dynamic/IPSLCNRS, Palaiseau, Francia).
El consorcio MIRI está formado por los países miembros de la ESA, Bélgica, Dinamarca, Francia, Alemania, Irlanda, Países Bajos, España, Suecia, Suiza y el Reino Unido. Las organizaciones científicas nacionales financian el trabajo del consorcio: la Sociedad Max Planck (MPG) y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Alemania. Las instituciones alemanas participantes son el Instituto Max Planck de Astronomía de la Universidad de Heidelberg en Colonia y Hansolt AG en Oberkochen, anteriormente Carl Zeiss Optronics.
JWST es el observatorio científico espacial más grande del mundo. Se trata de un programa internacional liderado conjuntamente por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).
