Hasta cuánto puede llegar a crecer un planeta: la teoría de unos astrofísicos de California

Unos astrofísicos de la Universidad de California han detectado sulfuro de hidrógeno en las atmósferas de tres exoplanetas masivos que orbitan alrededor de la joven estrella HR 8799, lo que supone la primera vez que se identifica esta molécula en planetas observados mediante imágenes directas.

La medición, realizada con el telescopio espacial James Webb de la NASA, proporciona nuevas pruebas de que estos gigantes gaseosos de gran tamaño pueden formarse de la misma manera que Júpiter: acumulando material sólido.

Situado a unos 130 años luz de la Tierra, el sistema HR 8799 contiene cuatro planetas conocidos, cada uno de ellos con varias veces la masa de Júpiter. Desde su descubrimiento en 2008, estos cuerpos se han convertido en objetivos clave para el estudio de mundos gigantes jóvenes, ya que pueden observarse directamente, en lugar de inferirse a partir de sutiles cambios en el movimiento de su estrella anfitriona.

En el nuevo estudio, publicado en Nature Astronomy, los investigadores utilizaron el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb para analizar la luz infrarroja de tres de los planetas: HR 8799 c, d y e. Los espectros revelaron la presencia de vapor de agua, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. A partir de estas mediciones, el equipo calculó la abundancia de carbono, oxígeno y azufre en cada atmósfera.

Los resultados mostraron que los tres planetas están enriquecidos con estos elementos más pesados en comparación con su estrella anfitriona, en una proporción de aproximadamente dos a nueve.

Lo que revela la química

Los planetas gigantes pueden formarse a través de dos vías principales. En una, una región de un disco protoplanetario colapsa rápidamente bajo la gravedad, produciendo un planeta cuya composición se asemeja mucho a la de su estrella. En la otra, primero se forma un núcleo sólido a partir de roca y hielo, antes de atraer una gruesa envoltura de gas en un proceso más lento y ascendente que puede concentrar los elementos más pesados en la atmósfera.

El carbono y el oxígeno por sí solos no son decisivos, ya que ambos pueden incorporarse a través de la acreción de gas. El azufre supone una restricción mayor. En las frías regiones exteriores de un disco, se espera que el azufre se encuentre casi en su totalidad en partículas sólidas, en lugar de en gas flotando libremente.

Un planeta formado principalmente a partir del colapso de gas debería conservar niveles de azufre cercanos a los estelares; un planeta que incorporara una cantidad considerable de material sólido debería mostrar un claro enriquecimiento.

Los planetas HR 8799 muestran un aumento del azufre, y el grado de enriquecimiento de azufre coincide en gran medida con el del carbono y el oxígeno, lo que sugiere que el material sólido desempeñó un papel decisivo en la formación de estos enormes cuerpos celestes.

Implicaciones para los planetas masivos

Júpiter y Saturno presentan un enriquecimiento similar en elementos pesados en relación con el Sol, una característica que suele asociarse con la acreción del núcleo. Los nuevos resultados indican que procesos similares pueden darse en planetas con una masa varias veces superior a la de Júpiter y a distancias mucho mayores de su estrella.

El estudio estima que los cuatro planetas HR 8799 contienen en conjunto aproximadamente 600 masas terrestres de elementos pesados, lo que implica una reserva sustancial de sólidos en el disco protoplanetario del sistema.

Aún no se sabe con certeza si los planetas se formaron en su lugar o si migraron. Sin embargo, su patrón químico común sugiere una historia de formación compartida, construida a partir de material sólido antes que de gas.