Astrónomos descubren cómo se formaron gigantes exoplanetas en el espacio

Un reciente estudio reveló un hallazgo sorprendente sobre la formación de gigantes gaseosos en un sistema estelar distante. Gracias a la potente visión del Telescopio Espacial James Webb (JWST), los astrónomos detectaron la presencia de azufre en las atmósferas de cuatro planetas gigantes, sugiriendo que se formaron a través del mismo proceso que Júpiter, conocido como acreción de núcleos.

Este descubrimiento es inesperado, ya que estos planetas son considerablemente más grandes y orbitan mucho más lejos de su estrella que lo que los modelos previos habían permitido. El equipo de investigación, liderado por la Universidad de California en San Diego, publicó sus hallazgos en la revista Nature Astronomy.

El sistema HR 8799 y sus super Júpiteres

El sistema HR 8799 se encuentra a aproximadamente 133 años luz de la Tierra en la constelación de Pegaso. Este sistema alberga cuatro planetas masivos, cada uno con una masa entre cinco y diez veces la de Júpiter. Estos mundos orbitan a distancias que varían entre 15 y 70 unidades astronómicas, lo que significa que incluso el planeta más cercano está a 15 veces la distancia entre la Tierra y el Sol.

La masa de los planetas oscila entre 5 y 10 veces la de Júpiter, por lo que incluso el más pequeño supera a Júpiter en un factor de cinco. En cierto sentido, el sistema HR 8799 se asemeja a una versión ampliada de nuestro propio sistema solar, que también cuenta con cuatro gigantes planetas exteriores desde Júpiter hasta Neptuno.

Sin embargo, la enorme masa de los planetas de HR 8799 y sus amplias órbitas desconcertaron a los científicos. Los modelos anteriores basados en nuestro sistema solar sugerían que los planetas que se formaban a través de la acreción de núcleos no tendrían suficiente tiempo para crecer tanto antes de que la estrella joven dispersara el disco de gas circundante.

Espectroscopía del JWST revela pistas de azufre

Para profundizar en esta cuestión, los astrónomos utilizaron espectroscopía, una técnica que analiza la luz para revelar la composición química y las propiedades físicas de los planetas distantes. Antes del JWST, los investigadores dependían de telescopios terrestres para medir moléculas como el agua y el monóxido de carbono en las atmósferas de los exoplanetas. Con el tiempo, se dieron cuenta de que las moléculas basadas en carbono y oxígeno no eran ideales para rastrear cómo se formaban los planetas debido a la dificultad de identificar sus orígenes.

En su lugar, el equipo se centró en materiales más estables, conocidos como elementos refractarios, que existen en forma sólida dentro del disco protoplanetario donde se forman los planetas. La detección de azufre en la atmósfera de un gigante gaseoso apunta fuertemente hacia una formación a través de la acreción de núcleos.

"Con su sensibilidad sin precedentes, el JWST permite el estudio más detallado de las atmósferas de estos planetas, dándonos pistas sobre sus caminos de formación. Con la detección de azufre, podemos inferir que los planetas de HR 8799 probablemente se formaron de manera similar a Júpiter, a pesar de ser cinco a diez veces más masivos, lo que fue inesperado", afirmó Jean-Baptiste Ruffio, científico investigador en la UC San Diego y primer coautor del artículo.

HR 8799 es relativamente joven, con aproximadamente 30 millones de años (para referencia, nuestro sistema solar tiene alrededor de 4.6 mil millones de años). Los planetas más jóvenes aún retienen calor de su formación, lo que los hace más brillantes y más fáciles de analizar con espectroscopía.

El espectrógrafo de alta resolución del JWST permite a los científicos examinar la luz de los exoplanetas sin interferencia de las moléculas en la atmósfera de la Tierra. Por primera vez, los astrónomos detectaron firmas detalladas de varias moléculas raras en las atmósferas de los tres gigantes gaseosos internos del sistema que previamente no se habían observado.

Detectando sulfuro de hidrógeno en mundos distantes

Extraer esta información fue un desafío. Los planetas son aproximadamente 10,000 veces más tenues que su estrella anfitriona, y el JWST no estaba originalmente optimizado para tales contrastes extremos. Ruffio desarrolló nuevas técnicas de análisis de datos para aislar las señales tenues de los planetas. Jerry Xuan, un becario de 51 Pegasi en UCLA, construyó modelos atmosféricos sofisticados para comparar con los espectros del telescopio y determinar si el azufre estaba presente.

"La calidad de los datos del JWST es verdaderamente revolucionaria y las cuadrículas de modelos atmosféricos existentes simplemente no eran adecuadas. Para capturar completamente lo que los datos nos estaban diciendo, refiné iterativamente la química y la física en los modelos", explicó. "Al final, detectamos varias moléculas en estos planetas, algunas por primera vez, incluido el sulfuro de hidrógeno."

Se encontraron signos claros de azufre en el tercer planeta, HR 8799 c, y los investigadores creen que probablemente existe en los otros dos planetas internos también. El equipo también descubrió que estos planetas contienen mayores cantidades de elementos pesados como carbono y oxígeno en comparación con su estrella, lo que constituye evidencia adicional de que se formaron como planetas en lugar de como objetos similares a enanas marrones.

Repensando los modelos de formación planetaria

"Existen muchos modelos de formación planetaria a considerar. Creo que esto demuestra que los modelos de acreción de núcleos más antiguos están desactualizados", afirmó Quinn Konopacky, profesor de Astronomía y Astrofísica en UC San Diego y otro coautor del artículo. "Y de los modelos más nuevos, estamos mirando aquellos donde los gigantes gaseosos pueden formar núcleos sólidos realmente lejos de su estrella".

Hasta ahora, HR 8799 sigue siendo el único sistema directamente imagedo que se conoce que contiene cuatro gigantes gaseosos masivos. Sin embargo, se han encontrado otros sistemas con uno o dos compañeros aún más grandes cuyos orígenes siguen siendo inciertos.

"Creo que la pregunta es, ¿cuán grande puede ser un planeta?" afirmó Ruffio. "¿Puede un planeta tener 15, 20, 30 veces la masa de Júpiter y aún haberse formado como un planeta? ¿Dónde está la transición entre la formación de planetas y la formación de enanas marrones?" Los investigadores continúan explorando estas preguntas, estudiando un sistema estelar a la vez.

Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Las opiniones, hallazgos y conclusiones expresadas en este trabajo son de los autores y no reflejan necesariamente las opiniones de la NASA.