El telescopio James Webb de la NASA permite redefinir la línea divisoria entre los planetas masivos y las estrellas

Los astrónomos utilizaron el telescopio espacial James Webb de la NASA para examinar 29 Cygni b, un objeto aproximadamente 15 veces más masivo que Júpiter que orbita una estrella cercana. Encontraron múltiples evidencias de que 29 Cygni b se formó mediante este proceso de abajo hacia arriba, lo que aporta nuevas perspectivas sobre cómo se originan los planetas más masivos. Un artículo que describe estos hallazgos se publicó el martes en The Astrophysical Journal Letters.

Procesos de formación de los planetas y las estrellas

Se entiende generalmente que el proceso de formación planetaria ocurre dentro de gigantescos discos de gas y polvo alrededor de las estrellas mediante un proceso llamado acreción. El polvo se agrupa formando guijarros que chocan y crecen progresivamente, formando protoplanetas y, finalmente, planetas. Los más grandes acumulan gas para convertirse en gigantes como Júpiter. Dado que la formación de gigantes gaseosos requiere más tiempo, y el disco de material formador de planetas finalmente se evapora y desaparece, los sistemas planetarios terminan con muchos más planetas pequeños que grandes.

En cambio, las estrellas se forman cuando una vasta nube de gas se fragmenta y cada fragmento colapsa bajo su propia gravedad, volviéndose más pequeño y denso. Teóricamente, un proceso de fragmentación similar podría ocurrir también dentro de los discos protoplanetarios. Esto podría explicar por qué algunos objetos muy masivos se encuentran a miles de millones de kilómetros de sus estrellas anfitrionas, en regiones donde el disco protoplanetario debería haber sido demasiado tenue para que se produjera la acreción.

El caso de 29 Cygni b

El 29 Cygni b se sitúa en la línea divisoria entre lo que se puede explicar mediante estos dos mecanismos diferentes. Pesa 15 veces más que Júpiter y orbita su estrella a una distancia media de 2400 millones de kilómetros, aproximadamente la misma que Urano en nuestro sistema solar. El equipo de investigación lo seleccionó porque podría ser el resultado de cualquiera de los dos procesos.

“En los modelos informáticos, es muy fácil que la fragmentación en un disco se propague hasta alcanzar masas mucho mayores que la de 29 Cygni b. Esta es la masa más baja que se podría obtener de forma plausible. Pero, al mismo tiempo, es aproximadamente la masa más alta que se podría obtener mediante acreción”, afirmó el autor principal, William Balmer, de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, ambos en Baltimore.

El programa de observación de Balmer utilizó la cámara NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) del telescopio Webb en modo coronográfico para obtener imágenes directas de 29 Cygni b. Este planeta fue el primero de los cuatro objetos seleccionados por el programa, todos ellos con una masa conocida entre 1 y 15 veces mayor que la de Júpiter. El equipo también exigió que sus objetivos orbitaran a una distancia de aproximadamente 15 mil millones de kilómetros de sus estrellas.

Todos los planetas eran jóvenes y aún calientes debido a su formación, con temperaturas que oscilaban entre los 1000 y los 1900 grados Fahrenheit (530 y 1000 grados Celsius). Esto garantizaría que su composición química atmosférica fuera similar a la de los planetas de HR 8799, cuyo sistema Balmer había estudiado previamente .

Al elegir los filtros adecuados, el equipo pudo buscar indicios de que la luz era absorbida por el dióxido de carbono (CO₂ ) y el monóxido de carbono (CO), lo que les permitió determinar la cantidad de esos elementos químicos más pesados, que los astrónomos denominan colectivamente metales.

Encontraron pruebas contundentes de que 29 Cygni b está enriquecido en metales en comparación con su estrella anfitriona, cuya composición es similar a la de nuestro Sol. Dada la masa del planeta, la cantidad de elementos pesados que contiene equivale a la de unas 150 Tierras. Esto sugiere que acumuló grandes cantidades de sólidos enriquecidos en metales provenientes de un disco protoplanetario.

A la izquierda, una ilustración muestra un exoplaneta gigante gaseoso cuya mitad derecha está iluminada mientras que la izquierda está en sombra. Predominan los tonos naranjas que se tornan rosados y púrpuras en los polos, y se aprecian bandas de nubes ondulantes. Tres manchas oscuras en la parte superior derecha indican los lugares donde fragmentos de cometa impactaron las cimas de las nubes, y otro fragmento de cometa entrante se observa como un punto brillante en el lado nocturno. El planeta se encuentra sobre un fondo negro salpicado de estrellas. En la esquina superior derecha de la imagen brilla una pequeña mancha blanca que representa su estrella anfitriona. Un tenue disco de polvo visto de canto, que se extiende desde las 10 en punto hasta las 4 en punto en la estrella, también es blanco.

El equipo también utilizó un conjunto de telescopios ópticos terrestres llamado CHARA (Centro de Astronomía de Alta Resolución Angular) para determinar si la órbita del planeta está alineada con la rotación de la estrella. Confirmaron dicha alineación, lo cual es de esperar para un objeto formado a partir de un disco protoplanetario.

“Logramos actualizar la órbita del planeta y también observamos la estrella anfitriona para determinar su orientación con respecto a dicha órbita”, explicó Ash Messier, coautor y estudiante de posgrado de la Universidad Johns Hopkins. “Demostramos que la inclinación del planeta está bien alineada con el eje de rotación de la estrella, de forma similar a lo que observamos en los planetas de nuestro sistema solar”.

«En conjunto, estas evidencias sugieren firmemente que 29 Cygni b se formó dentro de un disco protoplanetario mediante la rápida acumulación de material rico en metales, en lugar de mediante la fragmentación de gas», dijo Balmer. «En otras palabras, se formó como un planeta y no como una estrella».

Mientras el equipo recopila datos sobre los otros tres objetivos de su programa, planea buscar evidencia de diferencias en la composición entre los planetas de menor y mayor masa. Esto debería proporcionar información adicional sobre sus mecanismos de formación.

Fuente: NASA/Webb