La composición de los planetas de las estrellas pequeñas es diferente

Los planetas se forman en discos de gas y polvo, orbitando estrellas jóvenes. Para conocer mejor lo que pasa en estos discos, Thomas Henning, del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, ha llevado a cabo la Encuesta de discos infrarrojos medios MIRI (MINDS). Este estudio tiene como objetivo establecer una muestra representativa de discos.

Al explorar su química y propiedades físicas con el MIRI (Instrumento de Infrarrojo Medio) a bordo del Telescopio Espacial James Webb (JWST), es posible relacionar esos discos con las propiedades de los planetas que potencialmente se forman allí. Pero cuando los investigadores exploraron el disco de una estrella de muy baja masa, de tan solo 0.11 masas solares (conocida como ISO-ChaI 147), los resultados fueron sorprendentes.

“Estas observaciones no son posibles desde la Tierra porque las emisiones de gas relevantes son absorbidas por su atmósfera,” explicó el autor principal Aditya Arabhavi de la Universidad de Groningen en los Países Bajos. “Anteriormente, sólo 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 una débil emisión de moléculas menos abundantes”.

Discos con carbono pero sin oxígeno

La colaboración MINDS encontró gas a temperaturas alrededor de 300 Kelvin (aproximadamente 30 grados Celsius), fuertemente enriquecido con moléculas que contienen carbono pero sin especies ricas en oxígeno. “Esto es profundamente diferente de la composición que vemos en discos alrededor de estrellas tipo solar, donde moléculas ricas en oxígeno como el agua y el dióxido de carbono dominan,” agregó el miembro del equipo Inga Kamp, de la Universidad de Groningen.

Un ejemplo sorprendente de un disco rico en oxígeno es el de PDS 70, donde el programa MINDS recientemente encontró grandes cantidades de vapor de agua. Considerando observaciones anteriores, los astrónomos deducen que los discos alrededor de estrellas de muy baja masa evolucionan de manera diferente a los de estrellas más masivas como el Sol, con posibles implicaciones para encontrar planetas rocosos con características similares a la Tierra allí. Dado que los entornos en tales discos establecen las condiciones en las que se forman nuevos planetas, cualquier planeta de este tipo puede ser rocoso pero bastante diferente a la Tierra en otros aspectos.

Planetas rocosos que orbitan estrellas pequeñas

La cantidad de material y su distribución en esos discos limita el número y tamaño de los planetas que el disco puede suministrar con el material necesario. En consecuencia, las observaciones indican que los planetas rocosos con tamaños similares a la Tierra se forman de manera más eficiente que los gigantes gaseosos tipo Júpiter en los discos alrededor de estrellas de muy baja masa, las estrellas más comunes en el universo. Como resultado, las estrellas de muy baja masa albergan la mayoría de los planetas terrestres en gran medida.

“Muchas atmósferas primarias de esos planetas probablemente estarán dominadas por compuestos de hidrocarburos y no tanto por gases ricos en oxígeno como agua y dióxido de carbono,” indicó Thomas Henning. “Demostramos en un estudio anterior que el transporte de gas rico en carbono a la zona donde se forman los planetas terrestres ocurre más rápido y es más eficiente en esos discos que los de estrellas más masivas.”

Aunque parece claro que los discos alrededor de estrellas de muy baja masa contienen más carbono que oxígeno, el mecanismo de este desequilibrio aún es desconocido. La composición del disco es el resultado de un enriquecimiento de carbono o una reducción de oxígeno. Si el carbono está enriquecido, la causa probablemente sean partículas sólidas en el disco, cuyo carbono se vaporiza y se libera en el componente gaseoso del disco. Los granos de polvo, desprovistos de su carbono original, eventualmente forman cuerpos planetarios rocosos. Esos planetas serían pobres en carbono, como la Tierra. Sin embargo, la química basada en el carbono probablemente dominaría al menos sus atmósferas primarias suministradas por el gas del disco. Por lo tanto, las estrellas de muy baja masa pueden no ofrecer los mejores entornos para encontrar planetas similares a la Tierra.

El James Webb descubre una gran cantidad de moléculas orgánicas

Para identificar los gases del disco, el equipo utilizó el espectrógrafo de MIRI para descomponer la radiación infrarroja recibida del disco en firmas de pequeños rangos de longitud de onda, similar a como la luz solar se separa en un arco iris. De esta manera, el equipo aisló una gran cantidad de firmas individuales atribuidas a varias moléculas.

Como resultado, el disco observado contiene la química de hidrocarburos más rica vista hasta la fecha en un disco protoplanetario, que consta de 13 moléculas que contienen carbono hasta el benceno (C6H6). Incluye la primera detección de etano (C2H6) fuera del sistema solar, el hidrocarburo completamente saturado más grande detectado fuera del sistema solar. El equipo también detectó con éxito etileno (C2H4), propino (C3H4) y el radical metilo CH3 por primera vez en un disco protoplanetario. En contraste, los datos no contenían ninguna pista de agua o monóxido de carbono en el disco.

A continuación, el equipo científico tiene la intención de ampliar su estudio a una muestra más grande de tales discos alrededor de estrellas de muy baja masa para desarrollar su comprensión de qué tan comunes son esas regiones exóticas ricas en carbono que forman planetas terrestres. “Ampliar nuestro estudio también nos permitirá comprender mejor cómo se pueden formar estas moléculas,”

REFERENCIA

Abundant hydrocarbons in the disk around a very-low-mass star

Imagen: Impresión artística de un disco protoplanetario alrededor de una estrella de muy baja masa. Representa una selección de moléculas de hidrocarburos (metano, CH4; etano, C2H6; etileno, C2H2; diacetileno, C4H2; propina, C3H4; benceno, C6H6) detectadas en el disco alrededor de ISO-ChaI 147. CRÉDITO: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / MPIA