Problemas para los planetas de un joven sistema solar: un giro inesperado podría cambiar su destino

Las recientes observaciones de James Webb del disco protoplanetario de la estrella SZ Chamaeleontis ya no han encontrado el gas de neón doblemente ionizado observado anteriormente por Spitzer. ¿Cuáles serán las consecuencias de este hecho?

SZ Cha
Representación artística del disco protoplanetario de la joven estrella SZ Chamaeleontis. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI).

Lo más notable de este descubrimiento no es tanto la desaparición del gas de neón doblemente ionizado del disco protoplanetario de la estrella SZ Chamaeleontis, sino la rapidez con la que desapareció, menos de 15 años, lo cual es un tiempo extremadamente corto con consecuencias extremadamente grandes para la formación de exoplanetas gaseosos en el disco de esta estrella.

El neón es un elemento natural en estado gaseoso. Al igual que los demás elementos naturales más pesados que el hidrógeno, se formó en el interior de las estrellas y es normal que esté presente en las estrellas recién nacidas y sus discos.
Como veremos, la falta de neón doblemente ionizado revela indirectamente que el disco protoplanetario de esta estrella desaparecerá mucho antes de lo previsto hace unos años, es decir, alrededor de un millón de años antes de lo esperado. Esto significa que los exoplanetas gaseosos de SZ Chamaeleontis dispondrán de cantidades suficientes de gas y polvo durante menos tiempo para formarse. Pero vayamos por orden.

¿Qué es SZ Chamaeleontis?

La imagen de portada representa artísticamente el disco de polvo y gas que rodea, y oculta parcialmente, la estrella SZ Chamaeleontis (llamada brevemente SZ Cha).

Se trata de una estrella muy joven, de sólo unos millones de años, situada en la constelación del Camaleón. Podemos imaginar que nuestro Sol también tuvo un disco similar a la misma edad, en el que posteriormente se formaron los planetas que hoy componen el sistema solar.

SZ Cha es el mismo tipo de estrella joven que era nuestro Sol hace 4500 millones de años, en los albores del sistema solar. El estudio de su disco nos permite comprender mejor el entorno y los mecanismos que condujeron a la formación de nuestros planetas.

Debido a su relevancia en el estudio de los orígenes de nuestro sistema solar, esta estrella, detectada inicialmente por el telescopio Spitzer, ha sido recientemente reobservada por el telescopio James Webb.

Lo que ocurre y ocurrirá en el disco de SZ Cha

Aún no se han observado protoplanetas en el disco de SZ Cha, pero es muy probable que el proceso de formación ya haya comenzado. Existe una alta probabilidad de que en él se formen planetas gaseosos, como Júpiter o Saturno, pero también planetas rocosos, como la Tierra o Marte.

Durante la formación planetaria, que tiene lugar pocos millones de años después del nacimiento de la estrella, parte del gas y del polvo presentes en el disco siguen precipitándose sobre la estrella (atraídos por su gravedad pero también canalizados por el campo magnético), una fracción insignificante formará planetas y posibles cinturones de asteroides (también llamados discos de escombros), todo el resto se evaporará debido a la radiación de la estrella, dispersándose en el espacio interestelar.

Disco estelar
Representación artística de una estrella recién nacida que, inicialmente oculta por el polvo de su disco, una vez disipado por su campo de radiación, se hace visible. Crédito: ESO/L. Calçada.

Principalmente la radiación X emitida por la estrella, pero también la radiación en el ultravioleta extremo (EUV), aunque ésta con menor eficacia, tienen un efecto de erosión sobre el disco; precisamente, calientan el gas y el polvo provocando su evaporación y, por tanto, la disipación de todo el disco.

Cuando actúa principalmente la radiación X (mucho más energética que la radiación EUV), la evaporación se produce rápidamente (unos pocos millones de años). Cuando, por el contrario, es principalmente la radiación EUV la que actúa, la evaporación se produce más lentamente y, según los modelos, el disco sobrevive al menos un millón de años más.

El hecho de que el gas y el polvo del disco se dispersen en el espacio significa que los planetas tienen que correr contra el tiempo para formarse. Si los planetas pierden tiempo, corren el riesgo de quedarse sin materia prima (gas y polvo) para formarse, puesto que ya se ha evaporado toda.

¿Qué observaron Spitzer y James Webb?

Spitzer fue un telescopio espacial de la NASA que observó en el infrarrojo entre 2003 (año en que fue puesto en órbita) y 2020, cuando fue retirado del servicio. Entre las estrellas observadas por Spitzer se encontraba SZ Cha.

Fue Spitzer quien descubrió en 2008 no sólo que SZ Cha tenía un disco protoplanetario, sino que esta estrella, de una selección de 50 estrellas, era la única que tenía una cantidad de gas neón doblemente ionizado mucho mayor que en otras estrellas similares.

El neón doblemente ionizado es neón que ha perdido sus dos electrones más externos debido a la interacción con los rayos EUV.

El hecho de que el neón doblemente ionizado fuera abundante indicaba que el disco estaba irradiado predominantemente con radiación EUV, más que con radiación X, y que por tanto se evaporaría más lentamente. De ello se deducía que los planetas, especialmente los gaseosos, que estaban o estarían formándose, podrían "tomarse su tiempo", ya que dispondrían de gas durante más tiempo.

Espectro SZ Cha
Comparación entre el espectro del disco SZ Cha observado por Spitzer en 2008 en el que la línea de neón dos veces ionizado (Ne III) es evidente, y el espectro tomado por James Webb en 2023 en el que la línea ha desaparecido. Créditos: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI).

La sorpresa vino recientemente de las observaciones del nuevo telescopio James Webb. Éste también volvió a observar el disco de SZ Cha, 15 años después que Spitzer, pero no encontró presencia de neón dos veces ionizado. En resumen, el neón sigue presente en el disco de SZ Cha pero, a diferencia de hace 15 años, es neutro o sólo está ionizado una vez.

Esto último significa que el disco, a diferencia de hace 15 años, está ahora irradiado con rayos X y, por tanto, su erosión es rápida. La posibilidad y el tiempo para que SZ Cha forme planetas gaseosos se ha reducido en aproximadamente 1 millón de años.

Los científicos que llevaron a cabo estas observaciones, dirigidos por la astrónoma Catherine Espaillat, y cuyos resultados se han publicado en la revista Astrophysical Journal Letters, creen que la transición de un campo de radiación dominado por los rayos EUV a otro dominado por los rayos X está relacionada con el viento estelar (análogo al viento que conocemos pero formado por partículas cargadas eléctricamente a velocidad supersónica).

De hecho, al mismo tiempo que las observaciones de James Webb, se observaron fuertes vientos utilizando telescopios terrestres, por lo que los científicos creen que "se impidió que la radiación EUV alcanzara el disco, mientras que los rayos X consiguieron atravesar el viento e irradiar el disco".

No se puede descartar que la intensidad y la forma del viento cambien en el futuro de tal manera que la radiación EUV vuelva a prevalecer y dé un respiro a los exoplanetas gaseosos en su proceso de formación.