Los científicos que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA acaban de hacer un descubrimiento decisivo para desvelar cómo se forman los planetas. Al observar el vapor de agua en los discos protoplanetarios, el telescopio Webb confirmó un proceso físico que implica la deriva de sólidos recubiertos de hielo desde las regiones exteriores del disco hasta la zona de los planetas rocosos.

Las teorías proponen desde hace tiempo que los guijarros helados que se forman en las regiones frías y externas 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 se desplacen hacia la estrella debido a la fricción en el disco gaseoso, aportando tanto sólidos como agua a los planetas.

Concepto artístico: Este concepto artístico compara dos tipos de discos típicos de formación de planetas alrededor de estrellas recién nacidas similares al Sol. A la izquierda, un disco compacto y, a la derecha, un disco extendido con huecos. Los científicos que utilizaron el telescopio Webb estudiaron recientemente cuatro discos protoplanetarios: dos compactos y dos extendidos | foto NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Una predicción fundamental de esta teoría es que cuando los guijarros helados entran en la región más cálida dentro de la «línea de nieve» -donde el hielo transiciona a vapor- deberían liberar grandes cantidades de vapor de agua fría. Esto es exactamente lo que observó el telescopio James Webb.

Webb ha revelado por fin la conexión entre el vapor de agua en el disco interno y el desplazamiento de los guijarros helados desde el disco externo, afirma Andrea Banzatti, investigadora principal de la Universidad Estatal de Texas en San Marcos (Texas). ¡Este hallazgo abre perspectivas apasionantes para estudiar la formación de planetas rocosos con Webb!.

En el pasado, teníamos una imagen muy estática de la formación de planetas, casi como si hubiera zonas aisladas a partir de las cuales se formaban los planetas, explica Colette Salyk, miembro del equipo del Vassar College de Poughkeepsie (Nueva York). Ahora tenemos pruebas de que estas zonas pueden interactuar entre sí. También es algo que se propone que ha ocurrido en nuestro sistema solar.

Aprovechando la potencia de Webb

Los investigadores utilizaron el instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) 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 guijarros, transportándolos a una distancia equivalente a la órbita de Neptuno. Por el contrario, se espera que los discos extendidos retengan sus guijarros en múltiples anillos a una distancia seis veces superior a la órbita de Neptuno.

Las observaciones de Webb se diseñaron para determinar si los discos compactos tienen una mayor abundancia de agua en su región interna de planetas rocosos, como cabría esperar si la deriva de los guijarros es más eficiente y está aportando mucha masa sólida y agua a los planetas interiores. El equipo decidió utilizar el espectrómetro de media resolución (MRS) de MIRI porque es sensible al vapor de agua en los discos.

Espectro de emisión – Abundancia de agua: Este gráfico compara los datos espectrales del agua caliente y fría en el disco GK Tau, que es un disco compacto sin anillos, y el disco extendido CI Tau, que tiene al menos tres anillos en órbitas diferentes. El equipo científico empleó el poder de resolución sin precedentes del MRS (Espectrómetro de Media Resolución) de MIRI para separar los espectros en líneas individuales que sondean el agua a diferentes temperaturas. Estos espectros, que se muestran 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 los datos de exceso de agua fría en el disco compacto GK Tau menos los datos de agua fría en el disco extendido CI Tau. Los datos reales, en púrpura, se superponen a un espectro modelo de agua fría. Obsérvese cómo se alinean | foto NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

Los resultados confirmaron las expectativas al revelar un exceso de agua fría en los discos compactos, en comparación con los discos grandes.

A medida que los guijarros se desplazan, tienden a acumularse en cualquier punto en el que encuentren un aumento de presión. Estas trampas de presión no detienen necesariamente la deriva de los guijarros, pero la impiden. Esto es lo que parece ocurrir en los grandes discos con anillos y huecos.

Las investigaciones actuales proponen que los planetas grandes pueden causar anillos de mayor presión, donde los guijarros tienden a acumularse. Este también podría haber sido el papel de Júpiter en nuestro sistema solar: impedir que los guijarros y el agua llegaran a nuestros planetas rocosos, pequeños, interiores y relativamente pobres en agua.

Resolver el enigma

Este gráfico es una interpretación de los datos del MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, sensible al vapor de agua en los discos. Muestra la diferencia entre la deriva de los guijarros y el contenido de agua en un disco compacto frente a un disco extendido con anillos y huecos. En el disco compacto de la izquierda, los guijarros cubiertos de hielo se desplazan sin obstáculos hacia la región más cálida y cercana a la estrella. Al cruzar la línea de nieve, su hielo se convierte en vapor y proporciona una gran cantidad de agua para enriquecer los planetas rocosos interiores en formación. A la derecha se ve un disco extendido con anillos y huecos. A medida que los guijarros cubiertos de hielo inician su viaje hacia el interior, muchos quedan detenidos por los huecos y atrapados en los anillos. Menos guijarros helados son capaces de atravesar la línea de nieve para llevar agua a la región interior del disco | foto NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Cuando llegaron los primeros datos, los resultados desconcertaron al equipo de investigación. Durante dos meses, estuvimos atascados 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 de los discos grandes surgió claramente la respuesta: los discos compactos tienen agua extra fría justo dentro de la línea de nieve, a unas diez veces más cerca que la órbita de Neptuno.

Ahora por fin vemos sin ambigüedades 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!.

Fuentes

NASA | Andrea Banzatti, Klaus M. Pontoppidan, et al., JWST Reveals Excess Cool Water near the Snow Line in Compact Disks, Consistent with Pebble Drift. The Astrophysical Journal Letters, vol.957, no.2. DOI 10.3847/2041-8213/acf5ec

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