Los gigantes gaseosos son planetas gigantes formados principalmente por hidrógeno y helio. Puede que tengan un núcleo central denso, pero a diferencia de la Tierra, no tienen una superficie sólida sobre la que uno pueda pararse. En nuestro sistema solar, Júpiter y Saturno son ejemplos clásicos. Más allá de nuestro vecindario, los astrónomos han identificado muchos exoplanetas gigantes gaseosos, algunos mucho más grandes que Júpiter. Los más masivos de estos mundos comienzan como enanas marrones, objetos subestelares a veces llamados “estrellas fallidas” porque no fusionan hidrógeno.
Esta superposición plantea una gran pregunta en astronomía. ¿Cómo se forman exactamente estos planetas masivos? Una posibilidad es la acreción del núcleo, el mismo proceso que se cree que formó Júpiter y Saturno. En este escenario, se forma lentamente un núcleo sólido dentro de un disco de polvo y hielo, acumulando material rocoso y helado hasta que es lo suficientemente grande como para absorber el gas circundante. Otra posibilidad es la inestabilidad gravitacional, donde una nube de gas que gira alrededor de una estrella joven colapsa rápidamente bajo su propia gravedad, creando un objeto grande como una enana marrón.
Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de California en San Diego se propuso investigar este misterio utilizando datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Al estudiar el sistema estelar HR 8799, descubrieron evidencia que proporciona una respuesta sorprendente. Sus resultados fueron publicados Naturaleza Astronomía.
El sistema HR 8799 y su súper Júpiter
HR 8799 se encuentra a unos 133 años luz de distancia, en la constelación de Pegaso. Alberga cuatro planetas gigantes, cada uno de ellos entre cinco y diez veces la masa de Júpiter. Estos mundos orbitan a distancias de 15 a 70 unidades astronómicas, lo que significa que incluso el planeta más cercano está 15 veces más lejos del Sol que la Tierra de su estrella. Las masas planetarias oscilan entre 5 y 10 MJ, por lo que incluso el más pequeño de ellos supera a Júpiter en un factor de cinco.
En cierto modo, HR 8799 se parece a una versión ampliada de nuestro sistema solar, que también incluye cuatro planetas gigantes exteriores que se extienden desde Júpiter hasta Neptuno. Sin embargo, el gran tamaño de los planetas de HR 8799 y sus amplias órbitas han desconcertado a los científicos. Los modelos anteriores basados en nuestro sistema solar sugirieron que los planetas formados a través de la acreción del núcleo no habrían tenido tiempo suficiente para crecer lo suficiente antes de que la joven estrella dispersara el disco de gas circundante.
La espectroscopia JWST revela la fórmula del azufre
Para profundizar más, los astrónomos utilizaron la espectroscopia, una técnica que analiza la luz para revelar la composición química y las propiedades físicas de planetas distantes. Antes del JWST, los investigadores dependían de telescopios terrestres para medir moléculas como el agua y el monóxido de carbono en las atmósferas de los exoplanetas. Con el tiempo, los científicos se dieron cuenta de que las moléculas basadas en carbono y oxígeno no son ideales para rastrear cómo se forman los planetas porque su origen es difícil de precisar.
En cambio, el equipo se centró en materiales más estables conocidos como materiales refractarios. Estos elementos, incluido el azufre, existen en forma sólida dentro del disco protoplanetario donde se forman los planetas. La detección de azufre en la atmósfera de un gigante gaseoso apunta claramente a la formación de núcleos mediante acreción.
“Con su sensibilidad sin precedentes, JWST está permitiendo el estudio más detallado de las atmósferas de estos planetas, dándonos pistas sobre sus vías de formación. Con la detección de azufre, podemos inferir que los planetas HR 8799 probablemente se formaron de manera similar a Júpiter, aunque era de cinco a diez veces más masivo”, dijo Rufio, científico investigador de UC San Diego y primer coautor del artículo.
HR 8799 es relativamente joven, tiene unos 30 millones de años (como referencia, nuestro sistema solar tiene unos 4.600 millones de años). Los planetas jóvenes aún retienen el calor de su formación, lo que los hace brillantes y fáciles de analizar espectroscópicamente.
El espectrógrafo de alta resolución del JWST permite a los científicos examinar la luz de los exoplanetas sin interferencias de las moléculas de la atmósfera terrestre. Por primera vez, los astrónomos han detectado firmas detalladas de varias moléculas raras en las atmósferas de los tres gigantes gaseosos internos del sistema que habían desaparecido previamente.
Detectando sulfuro de hidrógeno en mundos distantes
Extraer esta información fue un desafío. Los planetas son aproximadamente 10.000 veces más débiles que sus estrellas anfitrionas, y JWST originalmente no fue optimizado para un contraste tan extremo. Ruffio desarrolló nuevas técnicas de análisis de datos para aislar las señales ambiguas del planeta. Jerry Juan, miembro de 51 Pegasi Be en UCLA, desarrolló modelos atmosféricos sofisticados para compararlos con los espectros del telescopio y determinar si había azufre presente.
“La calidad de los datos del JWST es verdaderamente revolucionaria y las cuadrículas de los modelos atmosféricos existentes no eran adecuadas. Para capturar completamente lo que nos decían los datos, refiné iterativamente la química y la física de los modelos”, dijo. “Al final, detectamos varias moléculas en estos planetas, algunas por primera vez, incluido el sulfuro de hidrógeno”.
Un tercer planeta, HR 8799 c, encontró signos claros de azufre, y los investigadores creen que probablemente también exista en los otros dos planetas interiores. El equipo también descubrió que estos planetas tienen elementos más pesados que sus estrellas, como carbono y oxígeno, una prueba más de que se formaron como planetas y no como objetos como las enanas marrones.
Revisando los modelos de formación de planetas
“Hay muchos modelos de formación de planetas a considerar. Creo que esto muestra que los antiguos modelos de acreción del núcleo están desactualizados”, dijo Quinn Konopacki, profesor de astronomía y astrofísica de la UC San Diego, otro coautor del artículo. “Y entre los nuevos modelos, estamos viendo algunos en los que los gigantes gaseosos pueden formar núcleos sólidos lejos de su estrella”.
Hasta la fecha, HR 8799 es el único sistema del que se han obtenido imágenes directas que contiene cuatro gigantes gaseosos masivos. Sin embargo, se han encontrado otros sistemas con uno o dos compañeros aún más masivos cuyo origen sigue siendo incierto.
“Creo que la pregunta es: ¿qué tan grande puede llegar a ser un planeta?” Dijo Rufio. “¿Puede un planeta tener 15, 20, 30 veces la masa de Júpiter y aun así formarse como un planeta? ¿Dónde está la transición entre la formación de un planeta y la formación de una enana marrón?”
Los investigadores continúan explorando estas preguntas, un sistema estelar a la vez.
Lista parcial de autores: Jean-Baptiste Ruffio, Yves J. Lee y Quinn Konopacki (todos de UC San Diego); Jerry W. Juan (Instituto de Tecnología de California y UCLA); Dimitri Mawett, Aurora Kesselly, Charles Beichman, Geoffrey Bryden y Thomas P. Green (todos del Instituto de Tecnología de California); y Yayati Chachan (UC Santa Cruz). Una lista completa de autores aparece en el artículo.
Este trabajo fue apoyado en parte por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (80NSSC25K7300 y Premio de beca FINEST 80NSSC23K1434). Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este trabajo son las del autor y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.
