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Por: German Chaparro Molano, profesor del Instituto de Física FCEN

Los planetas como la Tierra podrían formarse incluso en los entornos de formación estelar más extremos de nuestra galaxia, irradiados por la intensa luz ultravioleta de estrellas masivas. Este es uno de los principales resultados de los análisis de nuevas observaciones de dicho entorno realizadas con el telescopio espacial James Webb (JWST). Se trata de una buena noticia para los planetas similares a la Tierra y para la vida en el universo: existe una gran variedad de entornos en los que pueden formarse planetas de este tipo. Los resultados de este trabajo de investigación fueron publicados en la prestigiosa revista Astrophysical Journal Letters, en coautoría con investigadores de la FCEN de la Universidad de Antioquia.

Un equipo de astrónomos dirigido por María C. Ramírez-Tannus, del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), utilizó el telescopio espacial James Webb para asomarse a la región interior de un disco de gas y polvo que rodea una joven estrella de tipo solar, situada en uno de los entornos más extremos de nuestra Galaxia. En este tipo de discos es donde se forman los planetas alrededor de las estrellas jóvenes. Con estas observaciones se evidenció la presencia de moléculas de agua y carbono en este disco, en el que se podrían estar formando planetas rocosos similares a nuestra Tierra.

El disco, al que el grupo de astrónomos llaman XUE-1, está expuesto a la intensa radiación ultravioleta de estrellas calientes y masivas cercanas. Sin embargo, incluso en este duro entorno, las observaciones detectaron agua y moléculas orgánicas simples. Ramírez-Tannus afirma: "¡Este resultado es inesperado y emocionante! Demuestra que existen condiciones favorables para formar planetas similares a la Tierra y los ingredientes para la vida incluso en los entornos más duros de nuestra Galaxia."

Detalle sin precedentes en regiones masivas de formación estelar

Estas observaciones son las primeras de este tipo. Hasta ahora, las observaciones detalladas de los discos de formación planetaria se habían limitado a las regiones cercanas de formación estelar que no contienen estrellas masivas. Las regiones de formación de estrellas masivas son completamente distintas: en ellas se forman numerosas estrellas casi al mismo tiempo, incluidas algunas de las más masivas de nuestra galaxia, raras pero extremadamente potentes. Durante la "edad de oro" de la formación estelar en el universo, hace unos 10.000 millones de años, la mayor parte de la formación estelar tuvo lugar en ese tipo de entornos. En total, más de la mitad de las estrellas de nuestro universo -incluido nuestro Sol- nacieron en regiones de formación estelar masiva, junto con sus planetas. Sin embargo, nada se sabía sobre el efecto de estos entornos tan duros en las regiones internas de los discos, donde se espera que se formen los planetas terrestres.

Las estrellas masivas son muy luminosas y emiten grandes cantidades de radiación ultravioleta de alta energía. Su presencia afecta considerablemente su entorno. Hasta ahora era una cuestión abierta si esa perturbación interferiría en la formación de planetas como la Tierra alrededor de estrellas similares al Sol. Esto relegaría a los planetas similares a la Tierra a un segundo plano en esos entornos, no imposibles de formar, pero sí muy raros. Hay argumentos plausibles de que esto podía ser así: la radiación ultravioleta de las estrellas masivas dispersa el gas en las porciones exteriores del disco, lo que inhibe el crecimiento y la deriva hacia el interior de las partículas de polvo que son los componentes básicos de los planetas similares a la Tierra (y también de los núcleos de planetas gigantes como Júpiter o Saturno). Esto podría afectar las probabilidades a favor de la formación de planetas similares a la Tierra.

Hasta ahora, las observaciones no habían aportado evidencia para responder esta pregunta. En el universo actual, las regiones de formación estelar masiva son raras, e incluso las más cercanas están muy lejos. Hasta hace poco, no había forma de observar con detalle los pequeños discos alrededor de estrellas similares al Sol. Los pocos discos formadores de planetas que estaban lo suficientemente cerca como para ser observados con detalle se encuentran todos en entornos tranquilos, sin la intensa radiación ultravioleta de las estrellas masivas, y por tanto no sirven para responder a la pregunta.

El logotipo de la colaboración XUE (abreviatura de "eXtreme UV environments") muestra a Xué, el dios del Sol en la cultura muisca. Los muiscas son los indígenas que viven en el centro de Colombia, el país natal de Ramírez-Tannus. El logotipo se basa en el arte rupestre encontrado cerca de Bogotá. El logotipo de la colaboración XUE (abreviatura de "eXtreme UV environments") muestra a Xué, el dios del Sol en la cultura muisca.

Exploración de los discos interiores con el JWST

Esto cambió con la llegada del JWST. Cuando el telescopio estuvo disponible para observaciones científicas, Ramírez-Tannus y la colaboración XUE (eXtreme UV environments), solicitaron con éxito tiempo de observación para estudiar a NGC 6357. A una distancia de 5.500 años luz de la Tierra, se trata de una de las regiones de formación estelar masiva más cercanas. También es el objetivo de observación más prometedor para responder a la pregunta sobre el disco interno: NGC 6357 contiene más de diez estrellas luminosas de gran masa, lo que garantiza que algunos de los discos de formación planetaria visibles en la región han estado expuestos a una intensa radiación ultravioleta durante la mayor parte de su existencia. La diversidad es un factor importante: La región contiene una gran variedad de discos, algunos de los cuales han estado expuestos a más y otros a menos radiación. "Si la radiación intensa dificulta las condiciones para la formación de planetas en las regiones internas de los discos protoplanetarios, en NGC 6357 es donde deberíamos ver el efecto", afirma Arjan Bik, de la Universidad de Estocolmo, co-PI (co-investigador principal) de la colaboración XUE y segundo autor del artículo.

Las observaciones que realizaron los astrónomos registran espectros: la descomposición de la luz en forma de arco iris que permiten estimar la presencia de moléculas específicas en la región observada. Para su sorpresa, Ramírez-Tannus y sus colegas descubrieron que, en lo que se refiere a la presencia (y propiedades) de moléculas clave, al menos uno de los discos interiores de NGC 6357, concretamente XUE-1, no es fundamentalmente diferente de sus homólogos en regiones de formación estelar de baja masa.

Investigadores de la FCEN-UdeA del grupo de Física y Astrofísica Computacional (FACom) aportaron a esta investigación a través el desarrollo de espectros sintéticos a partir de modelos 2D termo-químico-radiativos implementados por Sebastián Hernández, estudiante de doctorado en Física, y Germán Chaparro y Pablo Cuartas, profesores del pregrado de Astronomía.

Silicatos, agua y otras moléculas en un entorno hostil

"Encontramos abundancia de agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, cianuro de hidrógeno y acetileno en las regiones más internas de XUE-1", afirma Ramírez-Tannus. "Esto proporciona pistas valiosas sobre la composición probable de la atmósfera inicial de los planetas terrestres resultantes".  Los investigadores también hallaron polvo de silicato en cantidades similares a las de las regiones de formación estelar de baja masa. Es la primera vez que se detectan moléculas de este tipo en condiciones extremas como éstas.

Las observaciones son una buena noticia para la formación de planetas similares a la Tierra y para la vida en el universo: Al parecer, las regiones interiores de los discos protoplanetarios alrededor de estrellas similares al Sol situadas en algunos de los entornos de formación estelar más duros son tan capaces de formar planetas rocosos similares a la Tierra. Incluso ofrecen abundancia de agua, un ingrediente necesario para la vida tal y como la conocemos. Los investigadores aun no pueden determinar si esto se traduce en un número significativamente elevado de planetas similares a la Tierra nacidos en estos entornos a partir de la observación de un único disco. La colaboración XUE está llevando sus observaciones más allá: con un sondeo JWST de 14 discos adicionales en diferentes partes de NGC 6357 que deberían contribuir en gran medida a resolver esta importante cuestión.

Enlace al artículo publicado: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad03f8

Traducido y adaptado del comunicado de prensa del Max Planck Institute for Astronomy https://www.mpia.de/news/science/2023-16-xue-terrestrial-planets