El disco de formación de planetas alrededor de una pequeña estrella ofrece magníficas sorpresas
El telescopio espacial James Webb descubre una gran variedad de gases ricos en carbono, desde metano y etano hasta benceno, que sirve como ingredientes para futuros planetas que se gestan alrededor de estrellas de muy baja masa.
Por el Max Planck Institute for Astronomy
Impresión artística de un disco protoplanetario alrededor de una estrella de muy baja masa. Representa una selección de moléculas de hidrocarburos —metano (CH4), etano (C2H6), etileno (C2H2). diacetileno (C4H2), propino (C3H4), benceno (C6H6)— detectadas en el disco alrededor de ISO-ChaI 147. Foto: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / MPIA
Con la ayuda del telescopio espacial James Webb, un equipo de astrónomos, incluidos científicos del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), en Alemania, ha conseguido estudiar las propiedades de un disco de formación planetaria alrededor de una estrella joven y de muy baja masa.
Los resultados revelan la composición de hidrocarburos más rica vista hasta la fecha en un disco protoplanetario, que incluye la primera detección extrasolar de etano y una abundancia relativamente baja de especies portadoras de oxígeno. Al incluir detecciones similares anteriores, este hallazgo confirma una tendencia de los discos alrededor de estrellas de muy baja masa a ser químicamente distintos de los que rodean a estrellas más masivas, como es el caso del Sol, lo que influye en las atmósferas de los planetas que se forman allí.
Los planetas se forman en discos de gas y polvo que orbitan a estrellas jóvenes. El MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS) del James Webb, que está dirigido por Thomas Henning del MPIA, tiene como objetivo construir un puente entre el inventario químico de los discos protoplanetarios y las propiedades de los exoplanetas que potencialmente se están gestando a partir de ellos.
En un nuevo estudio, un equipo de investigadores ha explorado una estrella vecina de muy baja masa, en concreto de 0,11 masas solares, conocida como ISO-ChaI 147. Los resultados de esta exploración han sido publicados en la revista Science.
El James Webb abre una nueva ventana a la química de los discos de formación planetaria.
"Estas observaciones no son posibles desde la Tierra, porque las emisiones de gases relevantes son absorbidas por su atmósfera— explica el autor principal del trabajo, Aditya Arabhavi, de la Universidad de Groningen (Países Bajos). Y añade—: Anteriormente, solo podíamos identificar la emisión de acetileno o etino (C2H2) de este objeto. Sin embargo, la mayor sensibilidad del James Webb y la resolución espectral de sus instrumentos nos han permitido detectar emisiones débiles de moléculas menos abundantes".
La colaboración MINDS encontró gas a temperaturas de alrededor de unos 30 ºC, fuertemente enriquecido con moléculas que contienen carbono, pero que carece de especies ricas en oxígeno. "Esto es profundamente diferente de la composición que vemos en los discos alrededor de estrellas de tipo solar, donde dominan las moléculas que contienen oxígeno, como el agua y el dióxido de carbono", explica Inga Kamp, miembro del equipo de la Universidad de Groningen.
Un ejemplo sorprendente de un disco rico en oxígeno es el de PDS 70, donde el programa MINDS encontró recientemente grandes cantidades de vapor de agua. Teniendo en cuenta observaciones anteriores, los astrónomos deducen que los discos alrededor de estrellas de muy baja masa evolucionan de manera diferente a los que rodean estrellas más masivas como el Sol, con posibles implicaciones para encontrar allí planetas rocosos con características similares a las de la Tierra.
Dado que los entornos de estos discos establecen las condiciones en las que se forman los nuevos planetas, cualquiera de estos mundos puede ser rocoso, pero muy diferente de la Tierra en otros aspectos.
¿Qué significa esto para los planetas rocosos que orbitan estrellas de muy baja masa?
La cantidad de material y su distribución a través de esos discos limita el número y el tamaño de los planetas que el disco puede suministrar con el material necesario. En consecuencia, las observaciones indican que los planetas rocosos con tamaños similares al nuestro se forman de manera más eficiente que los gigantes gaseosos similares a Júpiter en los discos alrededor de estrellas de muy baja masa, las estrellas más comunes en el universo. Como resultado, las estrellas de muy baja masa albergan la mayoría de los planetas terrestres con diferencia.
"Muchas atmósferas primarias de esos planetas probablemente estarán dominadas por compuestos de hidrocarburos y no tanto por gases ricos en oxígeno, como el agua y el dióxido de carbono— señala Henning. Y añade—: Demostramos en un estudio anterior que el transporte de gas rico en carbono a la zona donde generalmente se forman los planetas terrestres ocurre más rápido y es más eficiente en esos discos que en los de estrellas más masivas".
Esta ilustración muestra un posible escenario para el exoplaneta rocoso 55 Cancri e, casi dos veces el tamaño de la Tierra. Las observaciones indican que los planetas rocosos con tamaños similares al nuestro se forman de manera más eficiente en los discos alrededor de estrellas de muy baja masa. Cortesía: NASA/JPL-Caltech
Aunque parece claro que los discos alrededor de estrellas de muy baja masa contienen más carbono que oxígeno, aún se desconoce el mecanismo de este desequilibrio. La composición del disco es el resultado del enriquecimiento de carbono o de la reducción de oxígeno. Si el carbono está enriquecido, la causa probablemente sean las partículas sólidas en el disco, cuyo carbono se vaporiza y se libera en el componente gaseoso del disco.
Los granos de polvo, despojados de su carbono original, eventualmente forman cuerpos planetarios rocosos. Esos planetas serían pobres en carbono, al igual que la Tierra. Aun así, la química basada en el carbono probablemente dominaría al menos sus atmósferas primarias proporcionadas por el gas del disco. Por lo tanto, las estrellas de muy baja masa pueden no ofrecer los mejores entornos para encontrar planetas similares a la Tierra.
El James Webb descubre una gran cantidad de moléculas orgánicas.
Para identificar los gases del disco, el equipo utilizó el espectrógrafo de MIRI con el fin de descomponer la radiación infrarroja recibida del disco en firmas de pequeños rangos de longitud de onda, similar a la luz solar que se divide en un arco iris. De esta manera, el equipo aisló una gran cantidad de firmas individuales atribuidas a varias moléculas.
Como resultado, el disco observado contiene la química de hidrocarburos más rica vista hasta la fecha en un disco protoplanetario, que consta de trece moléculas que contienen carbono hasta el benceno (C6H6). Entre ellas se encuentra la primera detección de etano extrasolar (C2H6), el mayor hidrocarburo totalmente saturado detectado fuera del Sistema Solar.
El equipo también detectó con éxito etileno (C2H4), metilacetileno o propino (C3H4) y el radical metilo CH3 por primera vez en un disco protoplanetario. Por el contrario, los datos no contenían ningún indicio de agua o monóxido de carbono en el disco. ◾️
Información facilitada por el Max Planck Institute for Astronomy -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón
Fuente: A. M. Arabhavi et al. Abundant hydrocarbons in the disk around a very-low-mass star. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adi8147
