Investigaciones recientes han descubierto alótropos de amoníaco en las atmósferas de las enanas marrones, lo que supone un importante avance en la astronomía. El descubrimiento del Telescopio Espacial James Webb arroja nueva luz sobre la formación de gigantes gaseosos y exoplanetas, desafiando las teorías existentes y destacando procesos alternativos como el colapso gravitacional.
El Telescopio Espacial James Webb ha detectado un alótropo de amoníaco en una enana marrón, proporcionando conocimientos innovadores sobre la formación de gigantes gaseosos y exoplanetas, revelando posibles procesos de formación alternativos.
Revelan la edad de huesos y fósiles y sirven como herramientas de diagnóstico médico. Los isótopos y sus homólogos isotópicos (moléculas que sólo difieren en su composición isotópica) también desempeñan un papel cada vez más importante en la astronomía. Por ejemplo, basándose en la proporción de isótopos de carbono-12 (12C) y carbono-13 (13C) en la atmósfera de un exoplaneta, los científicos pueden inferir hasta qué punto el exoplaneta orbita su estrella central.
Hasta ahora, el 12C y el 13C combinados en monóxido de carbono son los únicos isótopos que pueden medirse en las atmósferas de los exoplanetas. Ahora, un equipo de investigación ha detectado con éxito un isótopo de amoníaco en la atmósfera de una estrella enana marrón fría. El equipo de investigación acaba de informar en la revista Nature que el amoníaco se puede medir en forma de 14NH3 y 15NH3. En el estudio participaron los astrofísicos Polychronis Patapis y Adrian Glauser, miembros del Departamento de Física y del Centro Nacional de Investigaciones Planetarias (NCCR), siendo Patapis uno de los primeros autores.
Las enanas marrones se encuentran a medio camino entre las estrellas y los planetas: son similares en muchos aspectos a los planetas gigantes gaseosos, por lo que pueden utilizarse como sistemas modelo para estudiar los gigantes gaseosos. En su trabajo, Patapis y sus colegas observaron una estrella enana marrón llamada WISEJ1828, que se encuentra a 32,5 años luz de la Tierra; En el cielo nocturno, se encuentra en la constelación de Lyra.
WISEJ1828 es invisible a simple vista: su temperatura efectiva (es decir, la temperatura de un cuerpo negro, que emite la misma energía que el objeto observado) es de sólo 100°C, demasiado fría para que se produzca la fusión del hidrógeno y la luz se transmita hasta la Tierra. Para descubrir esta estrella enana ultrafría de la clase espectral Y, el verano pasado se giró el espejo del telescopio espacial James Webb (JWST) hacia la constelación de Lidia.
El instrumento de infrarrojo medio (MIRI), un detector de infrarrojos instalado en JWST, hizo posible revelar alótropos de amoníaco en WISEJ1828. El espectrómetro de resolución moderada (MRS) de MIRI registró el espectro de la enana marrón en el rango de longitud de onda de 4,9 a 27,9 μm. Además del amoníaco, los investigadores también observaron moléculas de agua y de metano, cada una con bandas de absorción características. En particular, el amoníaco provoca una atenuación de las señales que llegan al detector en el rango de longitud de onda entre 9 y 13 µm.
Los alótropos del amoníaco también se pueden resolver mediante espectroscopia: si la molécula de amoníaco no está compuesta por el isótopo de nitrógeno más común, 14N (el 14N está unido a tres átomos de hidrógeno), sino que está compuesta por 15N más tres átomos de hidrógeno, entonces los neutrones adicionales en el núcleo de nitrógeno garantizarán que aparezca un aumento en el espectro, lo que puede explicarse por la presencia de 15NH3.
La proporción de dos isótopos de amoníaco medida en la atmósfera de WISEJ1828 es particularmente interesante: como explican Patapis y sus colegas, la proporción de 14NH3 a 15NH3 es un marcador, un indicador que puede usarse en el futuro para estudiar la formación de estrellas y planetas. Es una nueva herramienta que ayuda a examinar diferentes mecanismos conocidos de formación de planetas gigantes gaseosos.
Los gigantes gaseosos como Júpiter o Saturno no son exclusivos de nuestro sistema solar. Estos objetos desempeñan un papel importante en la investigación de exoplanetas: aparecen temprano en la formación estelar y, por lo tanto, son un factor clave para determinar si se forman planetas más pequeños y ligeros y cómo. Hasta el momento no existe una respuesta definitiva a la pregunta de cómo se forman los planetas gigantes gaseosos. Los expertos han propuesto diferentes teorías, pero no está claro si estos planetas se formaron mediante acreción nuclear como la mayoría de los otros planetas o fueron el resultado del colapso gravitacional de un disco protoplanetario alrededor de una protoestrella.
Las proporciones de isótopos registradas por Patapis y sus colegas podrían proporcionar nuevas pistas. En la Tierra, hay 272 átomos de 14N por cada átomo de 15N. El artículo informa que la proporción de 14NH3 a 15NH3 medida en la atmósfera de WISEJ1828 fue 670, lo que significa que la enana marrón acumuló menos nitrógeno-15 durante su formación que otros planetas como la Tierra y Júpiter. De hecho, la abundancia de 15N en WISEJ1828 es más rara que en cualquier objeto del sistema solar.
El proceso del llamado fraccionamiento isotópico, un cambio en la abundancia de un isótopo, no se comprende completamente, pero se cree que los impactos de los cometas contribuyen al enriquecimiento de nitrógeno-15 porque los cometas tienen un contenido de 15N mucho mayor. También se cree que los impactos de los cometas son un componente fundamental de los planetas del sistema solar: los cometas contribuyeron a la formación de la atmósfera terrestre, aunque el alcance de su contribución no está del todo claro.
El contenido de 15NH3 en el espectro de WISEJ1828 es muy bajo, lo que indica que esta enana marrón no se formó según el método habitual de formación de planetas (es decir, acreción del núcleo), sino que se formó como una estrella. Por lo tanto, es probable que esta inestabilidad gravitacional desempeñe un papel importante en la formación de planetas gigantes gaseosos, especialmente aquellos que se mueven en grandes órbitas alrededor de estrellas.
De hecho, este es otro tema importante discutido en el artículo: la proporción de 14NH3 a 15NH3 parece variar mucho dependiendo de la distancia entre el planeta gigante gaseoso y su estrella, lo que puede confirmarse simulando la formación de planetas entre las líneas de hielo de amoníaco y nitrógeno molecular. En astronomía, una línea de hielo representa la distancia mínima desde una estrella central en la que las temperaturas son lo suficientemente bajas como para que ciertos compuestos volátiles se transformen en un estado sólido.
Patapis y sus colegas creen que el aumento observado en la proporción de 14NH3 a 15NH3 puede indicar una acumulación de hielo planetario entre las líneas de hielo de amoníaco y nitrógeno.
Los astrónomos tienen otra herramienta en su estudio de exoplanetas directamente observables. Gracias al JWST, los rastros de amoníaco se han hecho claramente visibles, lo que confirma una vez más el gran valor y el rendimiento incomparable de este telescopio espacial.