Resumen:
Las observaciones de docenas de estrellas jóvenes similares al Sol realizadas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA muestran que las fuerzas que están extrayendo gas de los discos de formación de planetas cambian a medida que los sistemas estelares maduran.
El gas utilizado para crear planetas alrededor de estrellas jóvenes continúa desapareciendo. Nuevas observaciones del telescopio Webb muestran que esta pérdida de gas no se produce de la misma manera en todas las etapas de la evolución temprana de un sistema planetario. En cambio, los vientos estelares responsables de transportar material fuera del sistema parecen cambiar a medida que el sistema envejece.
Este estudio, dirigido por Naman Bajaj de la Universidad de Arizona y en el que participó Uma Goldi, científica del Instituto SETI, analizó los discos protoplanetarios alrededor de 72 estrellas jóvenes similares al Sol. Este es uno de los mayores estudios del telescopio Webb sobre la formación de planetas hasta la fecha. El estudio encontró que en diferentes etapas de la evolución del disco protoplanetario, dominarán diferentes mecanismos de eliminación de gas. Los resultados relevantes se han publicado en el Astronomical Journal.
Curiosamente, dijo Goldi, los investigadores ahora pueden observar, utilizando grandes muestras de estrellas jóvenes, cómo los mecanismos que limpian el gas de los discos de formación de planetas cambian con el tiempo. La disipación del disco protoplanetario establece un reloj básico para la formación de planetas: una vez que se agota el gas, la posibilidad de formar un planeta gigante rico en gas prácticamente desaparece.
El sistema solar actual tiene aproximadamente 4.500 millones de años y la mayor parte está vacío. Sin embargo, en los primeros millones de años después de su nacimiento, el joven Sol estuvo rodeado por un denso disco protoplanetario, en el que la masa de gas era aproximadamente 100 veces mayor que la del polvo. Con el tiempo, la mayor parte de este gas desaparece.
La velocidad de desaparición del gas es crucial porque el gas en el disco protoplanetario es la materia prima para la formación de planetas gigantes como Júpiter y Saturno. Si el gas se disipa prematuramente, es posible que los planetas no tengan tiempo para formar atmósferas considerables.
Bajai y sus colegas utilizaron observaciones archivadas del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) del Telescopio Webb para reconstruir la evolución del disco protoplanetario. Estos 72 sistemas estelares se encuentran en diferentes etapas de desarrollo de sistemas planetarios jóvenes. Los investigadores los combinaron en una secuencia evolutiva para rastrear cómo los mecanismos que eliminan el gas de los discos protoplanetarios cambian con la edad.
El estudio también pone a prueba las predicciones teóricas hechas antes de que el telescopio Webb pudiera observar directamente la materia en cuestión. En 2020, la profesora del Laboratorio Lunar y Planetario Ilariya Pascucci fue la segunda autora del artículo y fue mentora de Bajaj. Una vez dirigió el equipo para estudiar la evolución de los chorros y los vientos estelares. En aquel momento, los investigadores no podían observar directamente el hidrógeno molecular porque el telescopio Webb aún no había sido puesto en funcionamiento, pero predijeron que podría haber vientos moleculares lo suficientemente masivos en los sistemas estelares jóvenes como para bloquear los fotones de rayos X. Esta vez el telescopio Webb confirmó esta predicción rastreando directamente el hidrógeno molecular.
Los investigadores se centraron en las señales de dos gases que escapan del disco protoplanetario: el hidrógeno molecular y el neón ionizado. El hidrógeno molecular es la molécula más abundante en los discos protoplanetarios. La excelente sensibilidad y resolución espacial del telescopio Webb permitió a los investigadores distinguir una amplia gama de vientos de hidrógeno molecular de chorros trazados con neón y vientos estelares.
En los sistemas estelares más jóvenes, el material todavía cae hacia la estrella central. El telescopio Webb descubrió que estos sistemas tienen fuertes chorros y amplios flujos de salida que contienen gases tanto moleculares como atómicos. Sus características son consistentes con los vientos estelares impulsados por campos magnéticos que penetran el disco protoplanetario. El gas puede moverse hacia afuera a lo largo de las líneas del campo magnético, quitando masa y momento angular en el proceso.
A medida que el sistema estelar madura, cae menos material hacia la estrella central, el chorro comienza a debilitarse y la proporción de gas atómico en el flujo de salida es cada vez mayor. Con menos material que bloquee la radiación de alta energía, la radiación de alta energía emitida por las estrellas jóvenes puede penetrar más profundamente en el disco protoplanetario y calentar el gas lo suficiente como para escapar. Este proceso se llama fotoevaporación.
Goldy ha pasado décadas estudiando la evolución de los discos protoplanetarios y sus procesos de pérdida de gas, incluido el papel de la radiación ultravioleta y de rayos X en la generación de vientos fotoevaporativos. El Telescopio Webb ahora ha vinculado este estudio teórico con mediciones prácticas a través de observaciones de docenas de sistemas estelares jóvenes. Las observaciones muestran que a medida que los discos protoplanetarios envejecen, aumenta la importancia de la fotoevaporación, mientras que los chorros impulsados por campos magnéticos y los vientos estelares se debilitan gradualmente.
Las observaciones muestran que la disipación de los discos protoplanetarios no está controlada por un solo mecanismo. Los sistemas planetarios jóvenes parecen experimentar una transición desde estar dominados por potentes chorros impulsados por campos magnéticos y vientos estelares en las primeras etapas hasta convertirse gradualmente en dominados por flujos de gas atómico, incluidos vientos fotoevaporativos.
Los cambios en este mecanismo dominante determinan durante cuánto tiempo un planeta puede obtener los gases que necesita para formarse.
La formación de planetas es en realidad una carrera contra el tiempo, dijo Bajaj. Un gigante gaseoso como Júpiter debe desarrollar una atmósfera masiva mientras su disco protoplanetario sea todavía lo suficientemente grande como para proporcionar un suministro continuo de gas; de lo contrario, los vientos estelares y los chorros llevarían estas materias primas al espacio.
De los 72 discos protoplanetarios, 66 exhiben una amplia gama de emisiones de hidrógeno molecular y neón ionizado. Los investigadores detectaron vientos cónicos de hidrógeno molecular en 46 sistemas y chorros de neón de alta velocidad en 40 sistemas. Todos los discos protoplanetarios con chorros de neón también muestran evidencia de vientos estelares rastreados por hidrógeno u oxígeno molecular.
Este nuevo análisis se basa en observaciones anteriores del telescopio Webb del equipo. En 2024, Bajaj, Goldi y sus colegas capturaron una imagen que muestra que el disco de formación de planetas alrededor de la joven estrella T Cha está perdiendo gas.
Investigaciones anteriores han demostrado que el telescopio Webb puede observar directamente el proceso de disipación de los discos protoplanetarios en un solo sistema planetario. El estudio extiende este enfoque a docenas de estrellas jóvenes, revelando cómo la importancia relativa de los chorros, los vientos moleculares y los vientos atómicos cambia a medida que los sistemas estelares maduran.
Los investigadores esperan ahora determinar cuánto gas transportan estos vientos estelares en diferentes momentos y qué regiones del disco protoplanetario proporcionan una fuente de material para el gas que sale. Se espera que estas mediciones no sólo revelen qué tan rápido se cierra la ventana de formación de planetas, sino que también puedan ayudar a los científicos a determinar exactamente en qué parte del disco protoplanetario podrían haberse formado diferentes tipos de planetas antes de que desapareciera el gas disponible.
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