Los guijarros a la deriva suministran agua a las regiones interiores de los discos de formación de planetas

¿Cómo nacen los planetas? Los científicos han propuesto desde hace mucho tiempo que los guijarros cubiertos de hielo son las semillas de la formación de planetas. Se cree que estos sólidos helados se desplazan hacia la estrella recién nacida desde los confines fríos y exteriores del disco que la rodea. La teoría predice que cuando estos guijarros entraran en la región más caliente, más cercana a la estrella, liberarían cantidades significativas de vapor de agua fría, llevando tanto agua como sólidos a los planetas nacientes.

Ahora el Telescopio espacial James Webb Fue testigo de este proceso en acción, revelando la conexión entre el vapor de agua en el disco interior y los guijarros helados a la deriva del disco exterior. Este descubrimiento abre nuevas e interesantes perspectivas en el estudio de la formación de planetas rocosos.

El concepto de este artista compara dos tipos típicos de discos de formación de planetas alrededor de estrellas recién nacidas similares al Sol. A la izquierda hay un disco compacto y a la derecha un disco extendido con espacios. Los científicos que utilizaron Webb estudiaron recientemente cuatro discos protoplanetarios: dos compactos y dos extendidos. Los investigadores diseñaron sus observaciones para probar si los discos compactos de formación de planetas contienen más agua en sus regiones internas que los discos expandidos de formación de planetas con espacios. Esto sucedería si los guijarros cubiertos de hielo en los discos compactos se desplazaran más eficientemente hacia regiones cercanas a la estrella y entregaran grandes cantidades de sólidos y agua a los planetas interiores rocosos en formación.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Los hallazgos del Telescopio Espacial Webb de la NASA respaldan el proceso de formación de planetas propuesto desde hace mucho tiempo

Los científicos usan NASAEl telescopio espacial James Webb acaba de hacer un descubrimiento revolucionario al revelar cómo se forman los planetas. Al observar el vapor de agua en los discos protoplanetarios, Webb confirmó un proceso físico que implica la deriva de sólidos cubiertos de hielo desde las regiones exteriores del disco hacia el área de los planetas rocosos.

Desde hace mucho tiempo se ha propuesto que los guijarros helados que se forman en las frías regiones exteriores de los discos protoplanetarios (la misma zona donde se originan los cometas en nuestro sistema solar) deberían ser las semillas fundamentales de la formación de planetas. El principal requisito de estas teorías es que los guijarros se desplazan hacia la estrella debido a la fricción en el disco gaseoso, entregando sólidos y agua a los planetas.

Confirmación de predicciones teóricas.

Una predicción fundamental de esta teoría es que cuando las rocas heladas entran en la región más cálida de la «línea de nieve» -donde el hielo se convierte en vapor- deberían liberar grandes cantidades de vapor de agua fría. Esto es exactamente lo que observó Webb.

«Webb finalmente reveló la conexión entre el vapor de agua en el disco interior y la deriva de guijarros helados desde el disco exterior», dijo la investigadora principal Andrea Banzatti de la Universidad Estatal de Texas, San Marcos, en Texas. “¡Este descubrimiento abre perspectivas interesantes para el estudio de la formación de planetas rocosos con Webb! »

Este gráfico compara los datos espectrales del agua fría y caliente en el disco GK Tau, que es un disco compacto sin anillos, y el disco CI Tau extendido, que tiene al menos tres anillos en diferentes órbitas. El equipo científico utilizó el poder de resolución sin precedentes del MRS (espectrómetro de resolución media) de MIRI para separar los espectros en líneas individuales que exploran el agua a diferentes temperaturas. Estos espectros, visibles en el gráfico superior, revelan claramente un exceso de agua fría en el disco compacto GK Tau, en comparación con el disco grande CI Tau.
El gráfico inferior muestra el exceso de datos de agua fría en el disco compacto GK Tau, al menos los datos de agua fría en el disco CI Tau extendido. Los datos reales, en color violeta, se superponen en un espectro modelo de agua fría. Observe lo bien que se alinean.
Créditos: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Andrea Banzatti (Universidad Estatal de Texas)

«Dans le passé, nous avions cette image très statique de la formation des planètes, presque comme s’il existait des zones isolées à partir desquelles les planètes se formaient», a expliqué Colette Salyk, membre de l’équipe du Vassar College de Poughkeepsie , Nueva York. “Ahora tenemos evidencia de que estas áreas pueden interactuar entre sí. Esto también es algo que habría sucedido en nuestro sistema solar.

Aprovechando el poder de Webb

Los investigadores utilizaron el MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) de Webb para estudiar cuatro discos, dos compactos y dos extendidos, alrededor de estrellas similares al Sol. Se estima que estas cuatro estrellas tienen entre 2 y 3 millones de años, lo que sólo serían recién nacidos en el tiempo cósmico.

Ambos CD deberían experimentar una deriva efectiva de los guijarros, entregando los guijarros a una distancia equivalente a Neptunola órbita. Por el contrario, los discos extendidos deberían tener sus piedras contenidas en varios anillos hasta seis veces la órbita de Neptuno.

Este gráfico es una interpretación de los datos del MIRI de Webb, el instrumento de infrarrojo medio, que es sensible al vapor de agua presente en los discos. Muestra la diferencia entre la deriva de guijarros y el contenido de agua de un disco compacto versus un disco expandido con anillos y espacios. En el disco compacto de la izquierda, a medida que los guijarros cubiertos de hielo se desplazan hacia la región más caliente y más cercana a la estrella, no tienen obstáculos. Cuando cruzan la línea de nieve, su hielo se convierte en vapor y proporciona una gran cantidad de agua para enriquecer los planetas interiores rocosos en formación. A la derecha hay un disco extendido con anillos y espacios. Cuando los guijarros cubiertos de hielo comienzan su viaje hacia el interior, muchos de ellos se encuentran detenidos por los huecos y atrapados en los anillos. Menos piedras heladas pueden cruzar la línea de nieve para llevar agua a la región interior del disco.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Las observaciones de Webb fueron diseñadas para determinar si los discos compactos tienen una mayor abundancia de agua en su región interior rocosa, como se esperaba si la deriva de los guijarros es más eficiente y proporciona abundante masa sólida y agua a los planetas interiores. El equipo optó por utilizar el MRS (espectrómetro de resolución media) de MIRI porque es sensible al vapor de agua presente en los discos.

Los resultados confirmaron las expectativas al revelar un exceso de agua fría en los discos compactos, en comparación con los discos grandes.

A medida que los guijarros se desplazan, cada vez que encuentran un aumento de presión (un aumento de presión) tienden a acumularse allí. Estas trampas de presión no necesariamente detienen el arrastre de piedras, pero sí lo dificultan. Esto es lo que parece ocurrir en los discos grandes con anillos y espacios.

Las investigaciones actuales sugieren que los planetas grandes podrían causar anillos de mayor presión, en los que tienden a acumularse guijarros. También podría haber sido un papel de Júpiter en nuestro sistema solar, inhibiendo el suministro de rocas y agua a nuestros planetas interiores pequeños, rocosos y relativamente pobres en agua.

Resolviendo misterios con datos de Webb

Cuando llegaron los datos por primera vez, los resultados resultaron confusos para el equipo de investigación. “Durante dos meses, estuvimos estancados en estos resultados preliminares que nos decían que los discos compactos tenían agua más fría y que los discos grandes tenían agua más caliente en general”, recuerda Banzatti. «Esto no tenía sentido, porque habíamos seleccionado una muestra de estrellas con temperaturas muy similares».

Sólo cuando Banzatti superpuso los datos del disco compacto a los datos del disco grande, la respuesta quedó clara: los discos compactos contienen agua muy fría justo dentro de la línea de nieve, unas diez veces más cerca que la órbita de Neptuno.

«Ahora finalmente vemos sin ambigüedades que es el agua más fría la que tiene un exceso», dijo Banzatti. «¡Esto no tiene precedentes y se debe enteramente al mayor poder de resolución de Webb!»

Los resultados del equipo aparecen en la edición del 8 de noviembre de Cartas de revistas astrofísicas.

Referencia: “JWST revela exceso de agua fría cerca de la línea de nieve en CD, consistente con Cobble Drift” por Andrea Banzatti, Klaus M. Pontoppidan, John S. Carr, Evan Jellison, Ilaria Pascucci, Joan R. Najita, Carlos E. Muñoz- Romero, Karin I. Öberg, Anusha Kalyaan, Paola Pinilla, Sebastiaan Krijt, Feng Long, Michiel Lambrechts, Giovanni Rosotti, Gregory J. Herczeg, Colette Salyk, Ke Zhang, Edwin A. Bergin, Nicholas P. Ballering, Michael R. Meyer y Simon Bruderer, 8 de noviembre de 2023, Cartas de la revista astrofísica..
DOI: 10.3847/2041-8213/acf5ec

El Telescopio Espacial James Webb es el primer observatorio científico espacial del mundo. Webb resuelve los misterios de nuestro sistema solar, mira más allá de los mundos distantes alrededor de otras estrellas y explora las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.