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Compartimos este comunicado sobre un importante hallazgo en el campo de la astrofísica, publicado recientemente en Astronomy & Astrophysics. El estudio contó con la participación de los profesores Pablo Cuartas Restrepo y Germán Chaparro Molano, así como de Sebastián Hernández Arboleda, estudiante de doctorado en Física de la Universidad de Antioquia, quienes contribuyeron al desarrollo de modelos termoquímicos que permiten comprender mejor la evolución de los discos protoplanetarios. La vinculación de nuestros investigadores en esta colaboración internacional refleja el compromiso de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales con la investigación de frontera en torno a los procesos de formación planetaria y la historia de nuestro propio Sistema Solar.

Detectan un disco protoplanetario excepcionalmente rico en CO2 alrededor de una estrella jóven, lo que desafía las teorías sobre cómo se forman los planetas.

El estudio liderado por Jenny Frediani de la Universidad de Estocolmo ha revelado un disco protoplanetario con una composición química sorprendentemente inusual: una abundancia inesperadamente alta de dióxido de carbono (CO₂) en regiones donde algún día podrían formarse planetas similares a la Tierra.

El descubrimiento, realizado con datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST), desafía las suposiciones anteriores sobre la química de los lugares donde nacen los planetas. El estudio se publicó en Astronomy & Astrophysics.

Imagen de la región de formación estelar NGC 6357 con la joven estrella XUE 10. Las observaciones con JWST/MIRI revelan un disco de formación planetaria cuyo espectro muestra detecciones claras de cuatro formas distintas de dióxido de carbono (CO2), pero solo un poco de agua, lo que proporciona nuevos conocimientos sobre el entorno químico en el que se están formando los planetas. Crédito de la foto: Universidad de Estocolmo (SU) y María Claudia Ramírez-Tannus, Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA).

“A diferencia de la mayoría de los discos de formación planetaria cercanos, donde el vapor de agua domina las regiones internas, este disco es sorprendentemente rico en dióxido de carbono”, dice Jenny Frediani, doctoranda del Departamento de Astronomía de la Universidad de Estocolmo y autora principal del estudio. “De hecho, el agua es tan escasa en este sistema que apenas es detectable, un contraste dramático con lo que normalmente observamos.”

Una estrella en formación está profundamente incrustada dentro de la nube de gas y polvo de la que se formó y crea a su alrededor un disco donde, a su vez, se forman planetas. En los modelos convencionales de formación planetaria, pedruscos ricos en hielo de agua van cayendo desde el disco externo más frío, hacia las regiones internas más cálidas, donde el aumento de temperatura hace que los hielos se sublimen. Este proceso suele resultar en fuertes evidencias de vapor de agua en las zonas internas del disco. Sin embargo, en este caso, el espectro de JWST/MIRI muestra, en su lugar, una firma de dióxido de carbono desconcertantemente intensa.

“Esto desafía los modelos actuales de química y evolución de discos, ya que los altos niveles de dióxido de carbono en relación con el agua no pueden explicarse fácilmente mediante procesos estándar de evolución de discos”, explica Jenny Frediani.

Arjan Bik, también del Departamento de Astronomía de la Universidad de Estocolmo, añade: “Una abundancia tan alta de dióxido de carbono en la zona de formación planetaria es inesperada. Apunta a la posibilidad de que una radiación ultravioleta intensa —ya sea de la estrella anfitriona o de estrellas masivas vecinas— esté remodelando la química del disco.”

Los investigadores también detectaron variantes isotópicas raras de dióxido de carbono, enriquecidas ya sea en carbono-13 (¹³C) o en los isótopos de oxígeno-17 y oxígeno-18 (¹⁷O y ¹⁸O), claramente visibles en los datos del JWST. Estos isótopos podrían ofrecer pistas sobre las huellas isotópicas inusuales encontradas en meteoritos y cometas, reliquias de la formación de nuestro propio Sistema Solar.

Este disco rico en CO₂ se encuentra en una región de formación estelar masiva conocida como NGC 6357, ubicada aproximadamente a 1.7 kilopársecs de nuestro Sistema Solar. El descubrimiento fue realizado por la colaboración eXtreme Ultraviolet Environments (XUE), que viene estudiando cómo los campos de radiación intensa impactan la química de los discos.

Maria-Claudia Ramirez-Tannus, del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg y líder de la colaboración XUE, afirma que es un descubrimiento emocionante: “Revela cómo los entornos de radiación extrema —comunes en regiones masivas de formación estelar— pueden alterar los bloques de construcción de los planetas. Dado que la mayoría de las estrellas y probablemente la mayoría de los planetas se forman en tales regiones, comprender estos efectos es esencial para captar la diversidad de las atmósferas planetarias y su potencial de habitabilidad”.

Los profesores Pablo Cuartas Restrepo y Germán Chaparro Molano del Instituto de Física de la FCEN, junto con Sebastián Hernández Arboleda, estudiante de doctorado en Física de la Universidad de Antioquia, participan en el estudio a través de la colaboración XUE. Su contribución se centró en el desarrollo de modelos termoquímicos radiativos que simulan el comportamiento de los discos protoplanetarios en ambientes con alta radiación. Estos modelos, que combinan procesos físicos y químicos bajo la influencia de la radiación, permiten entender con mayor detalle las condiciones en las que surgen y evolucionan los sistemas donde se forman los planetas.

El profesor Germán Chaparro resalta: “El estudio de los discos protoplanetarios es en parte una mirada hacia nuestra propia historia planetaria y a la de todos los planetas del Universo. Sin embargo, todavía guardan muchos secretos que sólo podremos revelar con observaciones con telescopios de última tecnología y a través de modelos astrofísicos que tienen en cuenta desde interacciones atómicas hasta la formación de sistemas planetarios cientos de unidades astronómicas.”

Gracias al instrumento MIRI del JWST, los astrónomos pueden ahora observar discos distantes, envueltos en polvo, con un detalle sin precedentes en longitudes de onda infrarrojas, lo que proporciona información crucial sobre las condiciones físicas y químicas que rigen la formación de planetas. Al comparar estos entornos intensos con regiones más tranquilas y aisladas, los investigadores están descubriendo la diversidad ambiental que moldea los sistemas planetarios emergentes.

El estudio titulado: “XUE: The CO₂-rich terrestrial planet-forming region of an externally irradiated Herbig disk”, está publicado en la revista Astronomy & Astrophysics (https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202555718).

Contacto:

Pablo Cuartas Restrepo, Instituto de Física de la FCEN, Universidad de Antioquia: pablo.cuartas@udea.edu.co

German Chaparro Molano, Instituto de Física de la FCEN, Universidad de Antioquia: german.chaparro@udea.edu.co

Sebastian Hernandez Arboleda, Instituto de Física de la FCEN: shernandez.arboleda@udea.edu.co