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El Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA acaba de resolver un enigma al demostrar un hallazgo controvertido realizado con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA hace más de 20 años.
Webb ha descubierto que los discos formadores de planetas vivieron más tiempo en los primeros días del Universo, con datos que refutan las teorías actuales al respecto.
En 2003, Hubble proporcionó pruebas de la existencia de un planeta masivo alrededor de una estrella muy antigua, casi tan antigua como el Universo. Estas estrellas poseen sólo pequeñas cantidades de elementos más pesados que son los componentes básicos de los planetas. Esto implicaba que alguna formación de planetas ocurrió cuando nuestro Universo era muy joven, y esos planetas tuvieron tiempo de formarse y crecer dentro de sus discos primordiales, incluso más grandes que Júpiter. ¿Pero cómo?
Para responder a esta pregunta, los investigadores utilizaron Webb para estudiar estrellas en una galaxia cercana que, al igual que el Universo temprano, carece de grandes cantidades de elementos pesados. Descubrieron que algunas estrellas no sólo tienen discos de formación de planetas, sino que esos discos tienen una vida más larga que los que se ven alrededor de estrellas jóvenes en nuestra galaxia, la Vía Láctea.
“Con Webb tenemos una confirmación realmente sólida de lo que vimos con el Hubble, y debemos repensar cómo modelamos la formación de planetas y la evolución temprana en el Universo joven”, dijo en un comunicado el líder del estudio Guido De Marchi del Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial de la ESA en Noordwijk, Países Bajos.
En el Universo temprano, las estrellas se formaban principalmente a partir de hidrógeno y helio, y muy pocos elementos más pesados como carbono y hierro, que llegaron más tarde a través de explosiones de supernovas.
“Los modelos actuales predicen que con tan pocos elementos más pesados, los discos alrededor de las estrellas tienen una vida corta, tan corta que los planetas no pueden crecer”, dijo la co-investigadora del estudio Webb, Elena Sabbi, científica jefe del Observatorio Gemini en NOIRLab. “Pero el Hubble sí vio esos planetas, entonces, ¿qué pasaría si los modelos no fueran correctos y los discos pudieran vivir más tiempo?"
Para probar esta idea, los científicos entrenaron a Webb en la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia enana que es una de las vecinas más cercanas de la Vía Láctea. En particular, examinaron el enorme cúmulo de formación de estrellas NGC 346, que también tiene una relativa falta de elementos más pesados. El cúmulo sirvió como sustituto cercano para estudiar entornos estelares con condiciones similares en el Universo temprano y distante.
Las observaciones de NGC 346 realizadas por el Hubble a mediados de la década de 2000 revelaron muchas estrellas de entre 20 y 30 millones de años de antigüedad que parecían tener todavía discos de formación de planetas a su alrededor. Esto iba en contra de la creencia convencional de que tales discos se disiparían después de 2 o 3 millones de años.
“Los hallazgos del Hubble fueron controvertidos, ya que iban en contra no sólo de la evidencia empírica en nuestra galaxia sino también de los modelos actuales”, dijo De Marchi. “Esto fue intrigante, pero sin una forma de obtener espectros de esas estrellas, no pudimos establecer realmente si estábamos presenciando una acreción genuina y la presencia de discos, o simplemente algunos efectos artificiales”.
Ahora, gracias a la sensibilidad y resolución de Webb, los científicos tienen por primera vez espectros de estrellas en formación similares al Sol y sus entornos inmediatos en una galaxia cercana.
“Vemos que estas estrellas están rodeadas de discos y todavía están en proceso de devorar material, incluso a una edad relativamente antigua de 20 o 30 millones de años", dijo De Marchi. “Esto también implica que los planetas tienen más tiempo para formarse y crecer alrededor de estas estrellas que en regiones cercanas de formación de estrellas en nuestra propia galaxia”.
Este hallazgo refuta predicciones teóricas previas de que cuando hay muy pocos elementos más pesados en el gas alrededor del disco, la estrella volaría rápidamente el disco. Por tanto, la vida del disco sería muy corta, incluso menos de un millón de años. Pero si un disco no permanece alrededor de la estrella el tiempo suficiente para que los granos de polvo se peguen y se formen guijarros y se conviertan en el núcleo de un planeta, ¿cómo pueden formarse los planetas?
DOS MECANISMOS
Los investigadores explicaron que podría haber dos mecanismos distintos, o incluso una combinación, para que los discos formadores de planetas persistan en ambientes escasos en elementos más pesados.
En primer lugar, para poder expulsar el disco, la estrella aplica presión de radiación. Para que esta presión sea efectiva, en el gas tendrían que residir elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Pero el enorme cúmulo estelar NGC 346 sólo tiene alrededor del diez por ciento de los elementos más pesados que están presentes en la composición química de nuestro Sol. Quizás simplemente a una estrella de este cúmulo le toma más tiempo dispersar su disco.
La segunda posibilidad es que, para que se forme una estrella como el Sol cuando hay pocos elementos más pesados, tendría que partir de una nube de gas más grande. Una nube de gas más grande producirá un disco más grande. Por lo tanto, hay más masa en el disco y, por lo tanto, se necesitaría más tiempo para expulsarlo, incluso si la presión de radiación funcionara de la misma manera.
“Con más materia alrededor de las estrellas, la acumulación dura más tiempo”, dijo Sabbi. “Los discos tardan diez veces más en desaparecer. Esto tiene implicaciones sobre cómo se forma un planeta y el tipo de arquitectura del sistema que se puede tener en estos diferentes entornos. Esto es muy emocionante”.
El artículo del equipo científico aparece en la edición del 16 de diciembre de 2024 de The Astrophysical Journal.