Un hallazgo con el telescopio James Webb revela azufre en tres exoplanetas gaseosos del sistema HR 8799 y reabre el debate sobre cómo se forman los planetas gigantes

En nuestro sistema solar hay dos ejemplos bien conocidos: Júpiter y Saturno. Estos planetas se llaman gigantes gaseosos porque, al contrario que la Tierra o Marte, que son planetas rocosos, están compuestos fundamentalmente de gas, y son mucho, mucho más grandes. En la famosa mancha naranja de Júpiter, que es una enorme tormenta, podría caber de sobra la Tierra

Durante décadas, los astrónomos han debatido si los gigantes gaseosos nacen acumulando poco a poco un núcleo sólido que luego atrae gas, o si surgen del colapso rápido de una nube circunestelar. La llegada del telescopio espacial James Webb, con espectroscopía de altísima sensibilidad, ha permitido mirar con más detalle estas atmósferas y buscar huellas químicas que nos aclaren su origen.

Un equipo liderado por la Universidad de California en San Diego ha estudiado el sistema HR 8799, a 133 años luz en la constelación de Pegaso. Es un sistema famoso por albergar cuatro gigantes gaseosos visibles de forma directa. Estos mundos tienen entre cinco y diez veces la masa de Júpiter, y orbitan a distancias de 15 a 70 unidades astronómicas (1 UA es la separación media entre la Tierra y el Sol). En sistemas tan fríos y lejanos, la teoría clásica decía que no daba tiempo a crecer núcleos sólidos tan grandes antes de que el disco de gas se disipara.

Los planetas gigantes y el azufre

La clave del trabajo ha sido cambiar de moléculas “volátiles”, como el agua o el monóxido de carbono, a elementos refractarios, más fieles testigos del lugar donde se formaron. El azufre es uno de ellos, porque en los discos protoplanetarios está ligado a sólidos, no al gas. Si aparece su firma en la atmósfera de un planeta, apunta a que ese planeta creció por acreción de núcleo, es decir, incorporando primero roca y hielo, y más tarde gas. El equipo ha encontrado una señal clara de azufre en HR 8799 c y considera probable que también esté presente en los otros dos planetas interiores observados.

“Con su sensibilidad sin precedentes, JWST está permitiendo el estudio más detallado de las atmósferas de estos planetas, dándonos pistas sobre sus vías de formación. Con la detección de azufre, podemos inferir que los planetas de HR 8799 probablemente se formaron de manera similar a Júpiter a pesar de ser entre cinco y diez veces más masivos, lo que fue inesperado”, declaró Jean-Baptiste Ruffio, investigador de UC San Diego y primer coautor del estudio. JWST son las siglas de James Webb Space Telescope, el telescopio espacial que opera en el infrarrojo.

El sistema HR 8799 es joven, unos 30 millones de años, mientras que el nuestro ronda los 4.600 millones. Los planetas jóvenes brillan más porque aún conservan calor, lo que facilita la espectroscopía. Aquí, sin embargo, había un reto añadido. Los planetas son unas 10.000 veces más tenues que su estrella y el espectrógrafo de JWST no se diseñó para algo tan extremo. Ruffio y su equipo desarrollaron técnicas de análisis de datos específicas para extraer la señal. En paralelo, Jerry Xuan, becario 51 Pegasi b en UCLA, Universidad de California en Los Ángeles, refinó modelos atmosféricos para comparar con los espectros y confirmar la presencia de compuestos como el sulfuro de hidrógeno, H₂S.

Además del azufre, el equipo observó que los planetas están más enriquecidos en elementos pesados, como carbono y oxígeno, que su estrella. Esa “metalicidad” uniforme y superior a la de la estrella recuerda a Júpiter, y refuerza la interpretación de que se formaron como planetas, no como enanas marrones. Las enanas marrones, a veces llamadas “estrellas fallidas”, no fusionan hidrógeno, aunque pueden fusionar deuterio, y suelen formarse por colapso directo de una nube. La frontera entre planeta y enana marrón se sitúa en torno a 13 masas de Júpiter, abreviadas M_Jup.

El trabajo no cierra el debate, pero sí descarta modelos antiguos de acreción de núcleo que no permitían formar planetas tan grandes tan lejos. “Creo que esto muestra que los modelos antiguos de acreción de núcleo están desfasados”, señaló Quinn Konopacky, coautora del artículo. “De los modelos nuevos, miramos aquellos en los que los gigantes gaseosos pueden formar núcleos sólidos muy lejos de su estrella”. La pregunta que queda en el aire es provocadora. “¿Hasta qué punto puede ser grande un planeta?”, plantea Ruffio. “¿Puede tener 15, 20, 30 masas de Júpiter y seguir formado como planeta? ¿Dónde está la transición entre la formación planetaria y la de enanas marrones?”

REFERENCIA

Jupiter-like uniform metal enrichment in a system of multiple giant exoplanets (EurekAlert!)