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Nebulosa de la Langosta. Foto: NASA

En la Nebulosa de la Langosta, una región de formación estelar altamente irradiada conocida como NGC 6357, ubicada a 5 500 años luz de la Tierra en la Vía Láctea, el consorcio XUE detectó un disco protoplanetario de composición química inusual: abundancia de dióxido de carbono —CO₂— y escasez de agua —H₂O— en regiones donde, según los modelos teóricos vigentes, esta última debería ser abundante.

«En esa región que estamos estudiando hay muchas estrellas formándose y en ese proceso alrededor de cada estrella se forma un disco, y en esos discos se forman los planetas», explicó Pablo Cuartas Restrepo, doctor en Física y docente del Instituto de Física de la UdeA, adscrito a la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Se trata entonces de estructuras de gas y polvo que, con el paso del tiempo, dan origen a los planetas, lunas y otros cuerpos menores de un sistema estelar, por lo que su composición resulta clave para entender cómo emergen nuevos mundos. 

El consorcio XUE —eXtreme Ultraviolet Environments— es una colaboración de investigación internacional entre distintas universidades y centros de investigación, principalmente de Europa, y está liderado por la astrofísica colombiana María Claudia Ramírez-Tannus, investigadora del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania. La Universidad de Antioquia es la única universidad colombiana que hace parte de este consorcio. La muestra estudiada por XUE contiene 12 discos protoplanetarios alrededor de estrellas con masas entre 1 y 4 veces la masa del Sol.

De acuerdo con Germán Chaparro, doctor en Astronomía y docente del Instituto de Física, la composición de estos discos depende en gran medida del tipo de estrella que los acompaña. En sistemas pequeños es común encontrar compuestos carbonáceos —moléculas con carbono como el CO₂—, mientras que en discos alrededor de estrellas más grandes suele predominar la presencia de agua. 

«Por eso, en este objeto con una masa un poco mayor que la del Sol, esperábamos encontrar mucha agua y no aparece; el oxígeno está ligado al carbono en forma de CO₂, lo que va en contra de las tendencias que conocemos en la mayoría de las regiones estudiadas», señaló el investigador. 

Este descubrimiento desafía lo que la astronomía había observado hasta ahora, pues contradice los modelos conocidos y obliga a repensar cómo se distribuyen los elementos en el espacio. El caso de XUE 10, publicado en la revista Astronomy & Astrophysics, se documentó gracias a un estudio liderado por Jenny Frediani, estudiante de doctorado de la Universidad de Estocolmo, con datos obtenidos por el Telescopio Espacial James Webb —JWST—, un observatorio infrarrojo único en el mundo que permite analizar la luz proveniente de los sistemas estelares y descomponerla en un espectro, lo que hace posible identificar las moléculas que los componen.

Según Pablo Cuartas Restrepo, toda la luz —desde la visible hasta el infrarrojo y el ultravioleta— interactúa de manera particular con cada molécula y elemento químico: el oxígeno tiene su propia interacción con la luz, el hierro la suya, igual pasa con el agua, el carbono y otros elementos, creando huellas espectrales únicas. De esta manera, es posible determinar los componentes de los discos protoplanetarios. «El Telescopio James Webb capta la luz que proviene de los discos y la hace pasar por un espectrógrafo, que funciona como un prisma, separando la luz en distintas longitudes de onda. Cada molécula deja una especie de huella digital que nos permite identificar su presencia en el disco», explicó.

Ubicación del Disco Protoplanetario XUE 10. Foto: Colaboración XUE

Modelos termoquímicos para explorar XUE 10

Con los datos observados y analizados por los demás integrantes del consorcio, investigadores de la Universidad de Antioquia, entre ellos un estudiante del Doctorado en Física, desarrollaron —y aún continúan haciéndolo— modelos termoquímicos que ayudan a analizar discos como XUE 10. Se trata de estructuras sintéticas que permiten entender cómo se comporta el disco a partir de su composición y reproducir sus condiciones físicas y químicas.
 
De acuerdo con los investigadores, el objetivo es crear modelos lo más cercanos posible a los datos observados por el telescopio. Para ello, es necesario considerar múltiples procesos físicos: termodinámica, mecánica de fluidos, interacción de la radiación con la materia, gravedad, química, entre otros. Toda esta información se integra en Proymo, un código computacional desarrollado en la Universidad de Groningen, en Países Bajos, que se ejecuta en computadores de gran potencia y permite correr muchos modelos posibles de manera simultánea. 
 
«Con este código hemos corrido una serie de simulaciones, intentando modelar la química y los distintos procesos físicos y químicos para observar el estado del disco y generar espectros sintéticos. Con los modelos que estamos trabajando, buscamos reproducir el mismo aspecto observacional que tenemos y poder compararlos», explicó Sebastián Hernández Arboleda, estudiante de doctorado en Física de la Universidad de Antioquia. «Un poco exagerado, pero los modelos termoquímicos son como tratar de reconstruir la cara de una persona solo a partir de su huella digital», agregó Chaparro. 
 
En aras de comprender mejor cómo se construyen los modelos termoquímicos, se podría pensar en ellos como la preparación de una torta cuya receta es desconocida, que nunca se ha probado y de la que solo se conocen los ingredientes a partir de lo que se percibe del aroma. «Es como si sólo oliéramos la torta y, a partir de esos aromas, ensayáramos distintas combinaciones de ingredientes, tiempos de cocción y temperaturas hasta acercarnos lo más posible al aroma original. No se puede obtener la receta exacta, pero sí es posible lograr buenas aproximaciones», explicó el profesor Cuartas Restrepo. 
 
Aplicando este enfoque al caso concreto de XUE 10, los modelos termoquímicos generados por los investigadores de la UdeA permiten explorar hipótesis sobre su composición inusual, como la abundancia de CO₂ y la escasez de agua. Según los investigadores, esto ayuda a plantear posibles explicaciones, como que el agua se encuentre en estado sólido, esté siendo destruida por la radiación de la nebulosa o se encuentre en otra región del disco. 

Maria-Claudia Ramirez-Tannus, del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg y líder de la colaboración XUE, afirmó que «el descubrimiento de XUE 10 es emocionante ya que 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».
 
Para los investigadores de la Universidad de Antioquia, el hallazgo de XUE 10 y la construcción de los modelos termoquímicos no se limitan a describir un caso particular. Representan, más bien, una puerta abierta a nuevas preguntas sobre cómo se forman los planetas y cómo se distribuyen en el cosmos los elementos esenciales para la vida. Al cuestionar las teorías conocidas y plantear escenarios inéditos sobre la presencia de agua y carbono en los discos protoplanetarios, este trabajo invita a mirar más lejos: hacia el origen de los mundos y las condiciones que, quizás, puedan dar lugar a la vida más allá de nuestro sistema solar.