Los astrónomos que utilizaron el telescopio espacial James Webb para observar tres planetas enanos en el cinturón de Kuiper descubrieron hidrocarburos ligeros y moléculas complejas. Estos descubrimientos mejoran nuestra comprensión de los objetos del sistema solar exterior y resaltan las capacidades del Telescopio Espacial James Webb para la exploración espacial.
En la visión de este artista, el objeto planetario recién descubierto llamado Sedna se encuentra en el borde exterior del sistema solar conocido. Fuente de la imagen: NASA/JPL-Caltech
El Cinturón de Kuiper es una vasta área en el borde del sistema solar, hogar de innumerables objetos helados y un tesoro escondido de descubrimientos científicos. La detección y caracterización de los objetos del cinturón de Kuiper (KBO), a veces llamados objetos transneptunianos (TNO), ha aportado nuevos conocimientos sobre la historia del sistema solar. La disposición de los objetos del Cinturón de Kuiper es un indicador de los flujos gravitacionales que dan forma al sistema solar y revelan la historia dinámica de la migración planetaria. Desde finales del siglo XX, los científicos han estado ansiosos por observar más de cerca los KBO para aprender más sobre sus órbitas y composición.
Observaciones desde el telescopio espacial James Webb
Estudiar objetos fuera de nuestro sistema solar es uno de los muchos objetivos del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Utilizando datos del espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) del Telescopio Webb, un equipo internacional de astrónomos observó tres planetas enanos en el cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estas observaciones revelaron algunos fenómenos interesantes en sus respectivas órbitas y composiciones, incluidos hidrocarburos ligeros y moléculas orgánicas complejas que se cree que son productos de la irradiación de metano.
La investigación fue dirigida por Joshua Emery, profesor de astronomía y ciencia planetaria en la Universidad del Norte de Arizona. En el estudio también participaron investigadores del Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC) de la NASA, el Instituto de Astrofísica Espacial de la Universidad Paris-Saclay, el Instituto Pinhead, el Instituto Espacial de Florida (Universidad de Florida Central), el Observatorio Lowell, el Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI), el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI), la Universidad Americana y la Universidad de Cornell. Se ha publicado en línea una preimpresión de su artículo y Icarus la está revisando.
Desde su último sobrevuelo del objeto Arrokoth del Cinturón de Kuiper, la misión New Horizons ha estado explorando objetos del Cinturón de Kuiper y realizando observaciones heliosféricas y astrofísicas. Fuente: NASA/JHUAPL/SwRI//RomanTkachenko
Historia de la exploración del cinturón de Kuiper
A pesar de los grandes avances en astronomía y detectores robóticos, nuestro conocimiento de la región Transneptuno y el cinturón de Kuiper sigue siendo limitado. Hasta la fecha, la única misión para estudiar Urano, Neptuno y sus lunas principales es la misión Voyager 2, que sobrevoló estos gigantes de hielo en 1986 y 1989 respectivamente. Además, New Horizons fue la primera nave espacial en estudiar Plutón y sus lunas (julio de 2015) y la única nave espacial en encontrar un objeto en el cinturón de Kuiper. Pasó junto al objeto Kuiper llamado "Arokos" el 1 de enero de 2019.
Lo que esperan los astrónomos del JWST
Ésta es una de las muchas razones por las que los astrónomos esperan con impaciencia el lanzamiento del JWST. Además de estudiar exoplanetas y las galaxias más antiguas del universo, sus potentes capacidades de obtención de imágenes infrarrojas también se están dirigiendo a nuestro patio trasero, revelando nuevas imágenes de Marte, Júpiter y sus lunas más grandes. En el estudio, Emery y sus colegas se remitieron a datos del infrarrojo cercano obtenidos por Webb de tres planetas del cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estos objetos tienen unos 1.000 kilómetros (620 millas) de diámetro y entran en la categoría de planetas enanos de la Unión Astronómica Internacional (IAU).
Información sobre los planetas enanos
Los astrónomos tienen especial interés en estos objetos debido a su tamaño, órbita y composición. Otros objetos transneptunianos, como Plutón, Eris, Haumea, etc., retienen hielos volátiles (nitrógeno, metano, etc.) en sus superficies. La única excepción es Haumea, que perdió su material volátil en un impacto gigante (aparentemente). Por lo tanto, los astrónomos quieren observar si hay volátiles similares en las superficies de Sedna, Gonggong y Quiall:
"Trabajos anteriores sugieren que podrían hacerlo. Aunque son aproximadamente del mismo tamaño, sus órbitas son muy diferentes. Sedna es un objeto interno de la nube de Oort, con un perihelio de 76 AU y un afelio de casi 1000 AU; la órbita de Gonggong también es muy elíptica, con un perihelio de 33 AU y un afelio de aproximadamente 100 AU; "La órbita de Quior es relativamente circular, cerca de 43 AU. Estas órbitas exponen al objeto a diferentes regímenes de temperatura y diferentes entornos de irradiación (por ejemplo, Sedna pasa la mayor parte de su tiempo fuera de la heliosfera del Sol). Queríamos estudiar cómo estas diferentes órbitas afectarían a la superficie del objeto".
Una imagen de una de las dos observaciones PRISM de Sedna, Gonggong y Quiall. Fuente: Emery, J.P. et al. (2023)
Utilizando datos del Telescopio de Infrarrojo Cercano Webb (NIRSpec), el equipo observó los tres objetos en modo prisma de baja resolución, con longitudes de onda que oscilaban entre 0,7 micrones y 5,2 micrones, colocándolos a todos en el espectro del infrarrojo cercano. Además, realizaron observaciones adicionales de Quaoar en longitudes de onda de 0,97 a 3,16 micrones utilizando una rejilla de resolución media, que proporciona diez veces la resolución espectral. Los espectros resultantes revelaron algunas cosas interesantes sobre la composición de estas partículas y superficies de polvo, dijo Emery:
"Encontramos abundante etano (C2H6) en los tres objetos, siendo Sedna el más destacado. Sedna también muestra acetileno (C2H2) y etileno (C2H4). La abundancia depende de la órbita (más en Sedna, menos en Gongong, menos en Quiol), lo que se correlaciona con la temperatura relativa y los anillos de irradiación. "Estas moléculas son los productos de irradiación directa del metano (CH4). Si el etano (u otras sustancias) están presentes en la superficie durante mucho tiempo, se convertirán en moléculas más complejas bajo la irradiación, y como todavía podemos verlas, sospechamos que el metano (CH4) debe reponerse en la superficie con regularidad".
Estos hallazgos son consistentes con los hallazgos de dos estudios recientes dirigidos por el Dr. Will Grundy, astrónomo del Observatorio Lowell y co-investigador de la misión New Horizons de la NASA, y Chris Glein, científico planetario y geoquímico de la Academia Suiza de Ciencias. En ambos estudios, Grandi, Glien y sus colegas midieron la proporción deuterio/hidrógeno (D/H) en el metano en Eris y Makmak y concluyeron que el metano no era prístino. En cambio, creen que estas proporciones son el resultado del transporte de metano a la superficie después de ser procesado dentro de ella.
"Creemos que lo mismo puede ser cierto para Sedna, Gonggong y Quiall", dijo Emery. "También descubrimos que los espectros de Sedna, Gongong y Quiall son muy diferentes de los de los KBO más pequeños. En las dos reuniones más recientes, los datos del JWST mostraron que los KBO más pequeños se dividían en tres grupos, ninguno de los cuales se parecía a estos tres, un resultado que es consistente con nuestros tres objetos más grandes que tienen historias geotérmicas diferentes".
Los ocho OCT más grandes en comparación con la Tierra (todos a escala). Fuente de la imagen: NASA/Lexicon
Impacto de los resultados de la investigación.
Estos hallazgos podrían tener implicaciones importantes para el estudio de KBO, TNO y otros objetos fuera del sistema solar. Esto incluye nuevos conocimientos sobre la formación de objetos en sistemas planetarios más allá de la línea de congelación, el límite donde los compuestos volátiles se congelan. En nuestro sistema solar, la región transneptuniana corresponde a la línea del nitrógeno, donde los objetos retendrían grandes cantidades de materiales volátiles con puntos de congelación extremadamente bajos (es decir, nitrógeno, metano y amoníaco). Emery dijo que los hallazgos también demuestran qué tipo de proceso evolutivo están experimentando los objetos en esta región:
"El principal impacto podría ser encontrar el tamaño de los KBO en los que se han calentado lo suficiente como para permitir el reprocesamiento interno e incluso la diferenciación del hielo original. También podemos utilizar estos espectros para comprender mejor el procesamiento de la irradiación del hielo en la superficie exterior del sistema solar. Los estudios futuros también podrán observar con más detalle la estabilidad volátil y el potencial atmosférico de estos objetos en cualquier parte de sus órbitas".
Los resultados de este estudio también demuestran las capacidades de JWST, que ha demostrado su valía muchas veces desde que entró en funcionamiento a principios del año pasado. También nos recuerdan que, además de nuevos conocimientos y avances sobre planetas distantes, galaxias y la estructura a gran escala del universo, Webb también puede revelar cosas sobre nuestro pequeño rincón del universo.
"Los datos del JWST son fantásticos", añadió Emery. "Nos permiten obtener un espectro con longitudes de onda más largas que las que podemos obtener en tierra, lo que nos permite detectar estos hielos". A menudo, al realizar observaciones en un nuevo rango de longitudes de onda, la calidad de los datos iniciales puede ser deficiente. JWST no solo abre un nuevo rango de longitudes de onda, sino que también proporciona datos de alta calidad sensibles a una variedad de materiales en la superficie exterior del sistema solar. "
Adaptado de un artículo publicado originalmente en Universe Today.