El Webb descubre una factoría de compuestos de carbono alrededor de una joven estrella

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Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA y la ESA, un equipo de astrónomos ha descubierto una rica diversidad de gases con carbono que sirven de ingredientes para la formación de planetas alrededor de estrellas de muy baja masa.

Los autores, que publican su estudio en Science, han estudiado las propiedades de un disco de formación planetaria alrededor de la joven estrella ISO ChaI-147. Los resultados revelan la composición de hidrocarburos más rica observada hasta la fecha en un disco protoplanetario y una abundancia relativamente baja de especies portadoras de oxígeno.

Al comparar con 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 similares al Sol. Esta circunstancia debería tener una influencia esencial en las atmósferas de los planetas que se forman en estos sistemas.

Los planetas que orbitan alrededor de estrellas jóvenes se forman en discos de gas y polvo. El proyecto MIRI Mid INfrared Disk Survey (MINDS) dirigido por Thomas Henning, del Instituto Max Planck de Astronomía (de Heidelberg), pretende estudiar una muestra representativa de discos.

Al explorar su química y propiedades físicas con el instrumento MIRI (Mid Infrared Instrument) a bordo del telescopio espacial James Webb, la colaboración MINDS busca relacionar esos discos con las propiedades de los planetas que podrían formarse en ellos. Así es como este equipo ha explorado las proximidades de ISO ChaI-147, una estrella de muy baja masa, en concreto, de 0,11 masas solares.

"Estas observaciones no son posibles desde la Tierra porque las emisiones de gases relevantes son absorbidas por su atmósfera", explicó el autor principal, Aditya Arabhavi, de la Universidad de Groningen (Países Bajos).

Con la gran sensibilidad del Webb

"Anteriormente, solo podíamos identificar la emisión de acetileno (C₂H₂) de este objeto. Sin embargo, la mayor sensibilidad de JWST y la resolución espectral de sus instrumentos nos permitieron detectar emisiones débiles de moléculas menos abundantes", añade.

Los investigadores de MINDS hallaron gas a temperaturas en torno a los 300 grados Kelvin, que equivale a unos 30 grados centígrados, muy enriquecido en moléculas de carbono, pero carente de especies ricas en oxígeno. Un ejemplo llamativo de disco rico en oxígeno es el de PDS 70, donde el programa MINDS halló 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 forma diferente a los que rodean a estrellas más masivas, como el Sol. Dado que los entornos de estos discos establecen las condiciones en las que se forman los nuevos planetas, cualquiera de ellos podría ser rocoso pero muy distinto de la Tierra en otros aspectos. 

La cantidad de material y su distribución en esos discos limita el número y el tamaño de los planetas a los que el disco puede suministrar el material necesario. Por tanto, las observaciones indican que los planetas rocosos, de tamaño similar al de la Tierra, se forman con más eficacia que los gigantes gaseosos parecidos a Júpiter. En consecuencia, las estrellas de muy baja masa albergan, con diferencia, la mayoría de los planetas terrestres.

Aunque parece claro que los discos que rodean a las 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 en carbono o de la reducción del oxígeno. Si el carbono está enriquecido, la causa son probablemente las partículas sólidas del disco, esencialmente granos de polvo cuyo carbono se vaporiza y se libera en el componente gaseoso del disco.

Los granos de polvo, despojados de su carbono original, acaban formando cuerpos planetarios rocosos. Esos planetas serían pobres en carbono, como la Tierra. Sin embargo, es probable que la química basada en el carbono domine al menos sus atmósferas primarias proporcionadas por el gas del disco. Por tanto, es posible que las estrellas de muy baja masa no ofrezcan los mejores entornos para encontrar planetas similares al nuestro.

La coautora María Morales Calderón, del Centro de Astrobiología (CAB, INTA-CSIC) comenta que “es una química muy distinta a lo que vemos en otros discos más masivos. Todavía hay mucho trabajo que hacer en este y otros objetos poco masivos para poder entenderla bien, pero es emocionante pensar cómo serían los planetas formados en estos entornos”. 

Para identificar los gases del disco, el equipo utilizó el espectrógrafo de MIRI para descomponer la radiación infrarroja recibida del disco en tramos de pequeños rangos de longitudes de onda, similar a la luz solar dividida en un arco iris. De este modo, el equipo aisló una gran cantidad de características espectrales individuales atribuidas a diversas moléculas.

Primera detección extrasolar de etano

Como resultado, el disco observado contiene la química de hidrocarburos más rica vista hasta la fecha en un disco protoplanetario, consistente en 13 moléculas portadoras de carbono hasta el benceno (C₆H₆). Entre ellas se incluye la primera detección extrasolar de etano (C₂H₆), el mayor hidrocarburo completamente saturado detectado fuera del sistema solar.

El equipo también detectó etileno (C₂H₄) propino (C₃H₄) y el radical metilo CH₃ por primera vez en un disco protoplanetario. En cambio, los datos no contenían ningún indicio de la presencia de agua o monóxido de carbono en el disco.

Tras este análisis, el equipo científico se propone ampliar su estudio a una muestra mayor de discos de este tipo alrededor de estrellas de muy baja masa, con el fin de comprender mejor hasta qué punto son comunes estas regiones exóticas de formación de planetas terrestres ricas en carbono.

"Solo una comparación con una muestra amplia de objetos nos permitirá comprobar si ISO Cha-147 es un objeto anómalo o si, como esperamos, la naturaleza nuevamente nos está mostrando que existe extraordinaria diversidad de sistemas planetarios”, explica David Barrado, otro de los investigadores implicados en el análisis.

“Asumir que el sistema solar representa un sistema planetario típico, influido por una visión antropocentrista, ha demostrado una y otra vez que es una aproximación limitada a la realidad”, advierte Barrado, quien adelanta: “El satélite PLATO, que se lanzará en un par de años y en el que el Centro de Astrobiología e INTA, entre otros centros españoles, tienen un papel muy significativo, mostrará hasta qué punto existen planetas similares a la Tierra en condiciones verdaderamente análogas”.