El James Webb desvela los secretos helados del Sistema Solar primitivo
Un análisis sin precedentes de los objetos transneptunianos muestra cómo los colores y la reflectancia superficial de estos planetesimales revelan pistas cruciales sobre su formación. Estos hallazgos iluminan los procesos que dieron forma a los rincones más remotos y fríos del Sistema Solar.
Por Enrique Coperías
En 2014, el observatorio espacial Herschel de la ESA observó 132 de los 1.400 mundos fríos conocidos que habitan una región del Sistema Solar más allá de la órbita de Neptuno, a unos 4.500-7.500 millones de kilómetros del Sol. Cortesía: ESA
Investigadores de la Universidad de Florida Central (UCF), en Estados Unidos, han dado un paso significativo en la comprensión de la formación y evolución del sistema solar exterior. Sus estudios, publicados en Nature Astronomy, ofrecen una visión más clara y detallada de cómo los objetos transneptunianos (TNO) y los centauros reflejan la historia de los hielos en el Sistema Solar primitivo y su evolución al interactuar con las regiones de los planetas gigantes.
Los hallazgos destacan cómo los objetos transneptunianos, al desplazarse hacia el interior del Sistema Solar y entrar en la región entre Júpiter y se transforman en centauros. Este proceso arroja luz sobre las complejas interacciones que han moldeado el sistema solar durante miles de millones de años.
Los TNO son pequeños cuerpos celestes conocidos como planetesimales que orbitan más allá de Plutón. Estos objetos, que nunca alcanzaron a formar planetas, actúan como cápsulas del tiempo prístinas, ya que preservan una valiosa evidencia de los procesos moleculares y las migraciones planetarias del Sistema Solar primitivo. Con sus órbitas heladas, comparables o incluso mayores que la de Neptuno, los objetos transneptunianos son fundamentales para desentrañar los secretos del pasado remoto del Sistema Solar.
Enigmas moleculares detrás de la diversidad de los objetos transneptunianos
Antes del reciente estudio liderado por la Universidad de Florida Central, se sabía que los objetos transneptunianos (TNO) conformaban una población diversa en cuanto a sus propiedades orbitales y colores superficiales. Sin embargo, su composición molecular seguía siendo un misterio.
Durante décadas, esta falta de información dificultó comprender mejor las razones detrás de su variedad cromática y dinámica. Ahora, gracias a estos nuevos hallazgos, se esclarece una antigua incógnita al proporcionar datos composicionales clave que explican esta diversidad.
«Con esta investigación, ofrecemos una imagen más completa de la diversidad de los objetos transneptunianos, y finalmente las piezas del rompecabezas están comenzando a encajar», afirma Noemí Pinilla-Alonso, autora principal del estudio, en un nota de prensa de la UFC.
Tres categorías de TNO
Por primera vez, los investigadores han identificado las moléculas específicas responsables de la notable diversidad de espectros, colores y albedo observados en estos objetos. «Moléculas como el hielo de agua, el dióxido de carbono, el metanol y compuestos orgánicos complejos establecen una conexión directa entre las características espectrales de los TNO y su composición química», explica Pinilla-Alonso.
Con la asistencia del telescopio espacial James Webb (JWST), el equipo descubrió que los TNO pueden agruparse en tres categorías composicionales distintas. Estos grupos están definidos por líneas de retención de hielo que existieron en el Sistema Solar primitivo, hace miles de millones de años, y que influyeron profundamente en su formación y evolución.
Estas líneas, identificadas como regiones en las que las temperaturas eran lo suficientemente bajas para permitir la formación y preservación de hielos específicos en el disco protoplanetario, representan puntos clave en el gradiente térmico del Sistema Solar primitivo. Estas regiones, definidas por su distancia al Sol, establecen un vínculo directo entre las condiciones iniciales de formación de los planetesimales y las composiciones químicas que exhiben hoy.
TNO fríos y metanol
Rosario Brunetto, segunda autora del estudio e investigadora del Centre National de la Recherche Scientifique en el Institut d'Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), en Francia, destaca que estos hallazgos marcan la primera conexión clara entre la formación de planetesimales en el disco protoplanetario y su evolución posterior.
«El estudio arroja luz sobre cómo surgieron las distribuciones espectrales y dinámicas observadas hoy en día dentro de un sistema planetario modelado por una evolución dinámica compleja», explica Brunetto.
«Los grupos composicionales de los TNO no están distribuidos de manera uniforme entre objetos con órbitas similares —dice Brunetto. Y añade—: Por ejemplo, los clásicos fríos, formados en las regiones más externas del disco protoplanetario, pertenecen exclusivamente a una clase dominada por metanol y compuestos orgánicos complejos».
Por otro lado, según este astrofísico, «los objetos transneptunianos con órbitas relacionadas con la nube de Oort, que se originaron más cerca de los planetas gigantes, están asociados con un grupo espectral caracterizado por hielo de agua y silicatos».
Representación artística de la distribución de los objetos transneptunianos en el disco planetesimal, con espectros representativos superpuestos de cada grupo compositivo que resaltan las moléculas dominantes en sus superficies. Cortesía: Graphic art by William D. González Sierra for the Florida Space Institute, University of Central Florida
Pistas sobre el disco protoplanetario
Recordemos que la nube de Oort es una región teórica del espacio que rodea el Sistema Solar formada por una vasta colección de cuerpos helados. Se cree que es el origen de muchos cometas de período largo, aquellos que tardan más de doscientos años en orbitar el Sol. Está situada mucho más allá de la órbita de Neptuno y del cinturón de Kuiper, ey se extiende hasta los límites del Sistema sSolar, aproximadamente a una distancia de entre 2.000 y 100.000 unidades astronómicas (UA).
Brittany Harvison, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Florida Central (UCF) y colaboradora en el proyecto bajo la supervisión de Noemí Pinilla-Alonso, destaca que los tres grupos de TNO definidos por sus composiciones superficiales aportan pistas cruciales sobre la estructura del disco protoplanetario.
«Esto respalda nuestra comprensión del material disponible que contribuyó a la formación de cuerpos en el Sistema Solar exterior, como los gigantes gaseosos y sus lunas, Plutón y otros objetos en la región transneptuniana», afirma Harvison.
Regolito polvoriento en las superficies de los centauros
En un estudio complementario publicado en el mismo número de Nature Astronomy, los investigadores analizaron centauros y descubrieron firmas espectrales únicas, distintas de las observadas en los objetos transneptunianos. Estas revelaron la presencia de mantos de regolito polvoriento en las superficies de los centauros, aportando información clave sobre su evolución.
Los centauros, que son TNO que han alterado sus órbitas hacia la región de los planetas gigantes tras un encuentro gravitacional cercano con Neptuno, presentan características que ayudan a entender cómo los objetos transneptunianos se convierten en centauros. Este proceso implica calentamiento al acercarse al Sol, lo que en ocasiones les hace desarrollar colas similares a las de los cometas.
El estudio concluye que las superficies de los centauros observados muestran modificaciones únicas en comparación con las de los TNO. Esto sugiere que los cambios son resultado de su migración hacia el Sistema Solar interior y de las condiciones que enfrentan en ese viaje.
Un Cuenco y un Acantilado
Entre las tres clases de superficies identificadas en los objetos transneptunianos, dos —denominadas Cuenco (Bowl) y Acantilado (Cliff)— también se encontraron en la población de centauros, aunque con una diferencia clave: ambas muestran superficies pobres en hielos volátiles, pero en los centauros estas están cubiertas por una capa de regolito polvoriento mezclado con hielo, según Pinilla-Alonso.
«Curiosamente, hemos identificado una nueva clase de superficie, inexistente entre los TNO, que se asemeja a las superficies pobres en hielo típicas del Sistema Solar interior, como las de los núcleos cometarios y los asteroides activos», explica Pinilla-Alonso.
Javier Licandro, investigador principal del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), en Tenerife (España), y autor principal del estudio sobre los centauros, destaca que la diversidad espectral observada en estos objetos es mucho mayor de lo esperado. Este hallazgo sugiere que los modelos actuales sobre su evolución térmica y química podrían requerir ajustes significativos.
Orígenes variados de los centauros
«La variedad de firmas orgánicas y el nivel de efectos de irradiación que hemos detectado no habían sido completamente anticipados», señala Licandro.
En palabras de este astrofísico, «la diversidad encontrada en la población de centauros, en términos de agua, polvo y compuestos orgánicos complejos, indica orígenes variados dentro de la población de TNO y diferentes etapas evolutivas. Esto confirma que los centauros no son un grupo homogéneo, sino objetos dinámicos y en transición».
Para Licandro, «los cambios superficiales impulsados por la evolución térmica son fundamentales para entender la conexión entre los objetos transneptunianos y otras poblaciones de cuerpos pequeños, como los satélites irregulares de los planetas gigantes y sus asteroides troyanos».
Unos mínimos cambios
Charles Schambeau, coautor del estudio y científico planetario en el Instituto Espacial de Florida (FSI), de la Universidad de Florida Central (UCF), destaca la relevancia de las observaciones realizadas. Según Schambeau, algunos centauros pueden clasificarse en las mismas categorías que los objetos transneptunianos analizados por el proyecto DiSCo.
«Esto es muy importante, porque cuando un TNO se convierte en centauro, experimenta un entorno más cálido en el que los hielos y los materiales de la superficie cambian —explica Schambeau. Y añade—: Aparentemente, sin embargo, en algunos casos los cambios en la superficie son mínimos, lo que permite vincular a los centauros individuales con su población de TNO progenitores».
Para Schambeau, «los tipos espectrales de los objetos transneptunianos frente a los centauros son diferentes, pero lo suficientemente similares como para relacionarlos».
Metodología de la investigación
Los estudios forman parte del citado proyecto Descubriendo la Composición Superficial de los Objetos Transneptunianos (DiSCo), que está liderado por Pinilla-Alonso y cuyo objetivo es desentrañar la composición molecular de los objetos transneptunianos. Pinilla-Alonso, ahora profesora en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Espacio de Asturias, en la Universidad de Oviedo (España), llevó a cabo este trabajo mientras trabajaba como científica planetaria en el FSI.
Para este proyecto, los investigadores emplearon el James Webb, que ofreció vistas sin precedentes de la diversidad molecular en las superficies de los TNO y los centauros. Sus capacidades de trabajar en el infrarrojo cercano superaron las limitaciones de las observaciones terrestres y de otros instrumentos, lo que permitió obtener datos de alta precisión.
En el caso de los objetos transneptunianos, los investigadores midieron los espectros de 54 objetos con la ayuda del James webb, capturando patrones detallados de luz reflejada en sus superficies. A partir de estos espectros de alta sensibilidad, identificaron moléculas específicas presentes en los TNO.
Tres tipologías diferentes de objetos transneptunianos
Con técnicas avanzadas de agrupamiento, clasificaron los objetos transneptunianos en tres grupos distintos basados en sus composiciones superficiales. Estos grupos fueron apodados Bowl (Cuenco), Double-dip (Doble inmersión) y Cliff (Acantilado), nombres inspirados en las formas características de sus patrones de absorción de luz.
Tipo Bowl (Cuenco). Representa el 25% de la muestra. Estos objetos transneptunianos muestran fuertes señales de hielo de agua cristalino y una superficie polvorienta. Su baja reflectividad sugiere la presencia de materiales oscuros y refractarios, combinados con hielo de agua dominante.
Tipo Double-dip (Doble inmersión). Constituyen el 43% de los TNO estudiados; este grupo se caracteriza por marcadas bandas de dióxido de carbono (CO₂) y signos de compuestos orgánicos complejos.
Tipo Cliff (Acantilado). Forma el 32% de la muestra; estos objetos transneptunianos presentan señales claras de compuestos orgánicos complejos, metanol y moléculas que contienen nitrógeno. Además, son los objetos más rojizos observados en términos de color.
Con técnicas avanzadas de agrupamiento, los astrónomos han clasificado los objetos transneptunianos en tres grupos distintos basados en sus composiciones superficiales: Bowl (Cuenco), Double-dip (Doble inmersión) y Cliff (Acantilado). Imagen generada con Grok
Cinco centauros, a examen
En el caso de los centauros, los investigadores analizaron los espectros de reflectancia de cinco objetos (52872 Okyrhoe, 325322 Thereus, 136204, 250112 y 310071). Este análisis detallado permitió identificar una notable diversidad composicional entre los centauros estudiados.
Thereus y 2003 WL7 fueron clasificados dentro del tipo Bowl, y comparten características con los objetos transneptunianos de este grupo.
2002 KY14 mostró propiedades similares al tipo Cliff, con indicios de compuestos orgánicos complejos y metanol.
Okyrhoe y 2010 KR59, sin embargo, no encajaban en ninguna de las clases espectrales conocidas. Estos fueron categorizados como parte de una nueva clase, denominada tipo Shallow (Superficial), que se distingue por una alta concentración de polvo primitivo, similar al de los cometas, y una escasa o nula presencia de hielos volátiles.
La inclusión de este nuevo tipo amplía la comprensión de las superficies y evoluciones composicionales de los centauros, subrayando las transiciones únicas que experimentan al migrar desde sus orígenes como TNO hacia regiones más cálidas del Sistema Solar.
Próximos pasos en el estudio de los TNO
Pinilla-Alonso señala que investigaciones anteriores realizadas en el marco del proyecto DiSCo ya habían identificado la presencia extendida de óxidos de carbono en las superficies de los objetos transneptunianos, marcando un avance significativo en la comprensión de estos objetos.
«Ahora, partimos de ese descubrimiento para lograr una visión más completa de las superficies de los TNO —explica Pinilla-Alonso. Y añade—: Una de las conclusiones más importantes es que el hielo de agua, tradicionalmente considerado el componente superficial más abundante, no es tan frecuente como se pensaba. En su lugar, el dióxido de carbono (CO₂) y otros óxidos de carbono, como el supervolátil monóxido de carbono (CO), están presentes en un mayor número de cuerpos».
Según Brittany Harvison, los hallazgos de este nuevo estudio son solo el punto de partida. «Ahora que hemos identificado grupos composicionales generales, queda mucho por explorar —señala Harvison. Y añade—: Como comunidad científica, podemos empezar a investigar los detalles específicos detrás de la formación y evolución de estos grupos, para entender cómo llegaron a ser lo que son hoy».
Este avance abre una puerta a futuras investigaciones destinadas a profundizar en las complejas interacciones químicas, dinámicas y térmicas que moldearon a los objetos transneptunianos y a otras poblaciones de cuerpos pequeños en el sistema solar exterior. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Florida Central
Fuente: Pinilla-Alonso, N., Brunetto, R., De Prá, M.N. et al. A JWST/DiSCo-TNOs portrait of the primordial Solar System through its trans-Neptunian objects. Nature Astronomy (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-024-02433-2
