El telescopio James Webb revela la carrera contra el tiempo en la formación de planetas

La formación de planetas ocurre dentro de discos de gas y polvo que rodean a estrellas jóvenes, pero el suministro de gas es temporal. Nuevas observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST) proporcionaron a los astrónomos una visión más clara de cómo escapa ese gas y cómo cambian los mecanismos de escape a medida que los sistemas planetarios maduran.

El estudio, liderado por Naman Bajaj de la Universidad de Arizona y coautorado por la científica del SETI Institute Uma Gorti, examinó 72 estrellas jóvenes similares al Sol y sus discos protoplanetarios. Se trata de uno de los estudios más grandes sobre la formación de planetas realizados con el JWST y sugiere que diferentes tipos de vientos dominan en distintas etapas del desarrollo temprano de un sistema.

Los hallazgos fueron publicados en The Astronomical Journal.

La Formación de Planetas Tiene un Plazo

"Lo emocionante de este estudio es que ahora podemos ver, a través de una amplia muestra de sistemas jóvenes, cómo los mecanismos que eliminan gas de los discos formadores de planetas cambian con el tiempo. La dispersión del disco establece un reloj fundamental para la formación de planetas: una vez que el gas se ha ido, la oportunidad de construir planetas ricos en gas se ha terminado", afirmó Gorti.

El sistema solar tiene aproximadamente 4.5 mil millones de años y está compuesto mayormente de espacio vacío. Sin embargo, durante sus primeros millones de años, el joven Sol estuvo rodeado por un denso disco protoplanetario que contenía aproximadamente 100 veces más gas que polvo. Casi todo ese gas eventualmente desapareció.

Entender cuándo y cómo se pierde este material es crucial, ya que el gas es esencial para formar gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno. Si un disco pierde su gas demasiado rápido, los planetas en desarrollo pueden no tener suficiente tiempo para acumular las enormes atmósferas necesarias para convertirse en gigantes gaseosos.

JWST Rastreando Gas que Escapa

Bajaj y sus colegas investigaron este proceso utilizando observaciones archivadas del MIRI del JWST. Los 72 sistemas abarcan diferentes etapas del desarrollo planetario. En conjunto, proporcionan una secuencia de instantáneas que permite a los investigadores reconstruir cómo cambia la dispersión de gas a medida que los sistemas envejecen.

En 2020, la profesora Ilaria Pascucci, coautora del artículo y asesora de Bajaj, lideró un estudio relacionado que examinó cómo evolucionan los jets y los vientos. Antes del JWST, los investigadores no podían observar directamente el hidrógeno molecular, pero el equipo predijo que los vientos moleculares deberían existir y podrían ser lo suficientemente densos en las etapas más tempranas como para bloquear fotones de rayos X. Al rastrear directamente el hidrógeno molecular en las nuevas observaciones, el equipo de Bajaj confirmó esas predicciones con imágenes del JWST.

Los investigadores se centraron en dos indicadores de material que escapa: el hidrógeno molecular, la molécula más abundante en los discos protoplanetarios, y el neón ionizado. La sensibilidad y resolución del JWST les permitieron distinguir los vientos amplios que contenían hidrógeno molecular de los jets y vientos trazados por el neón.

En los sistemas más jóvenes, donde el material aún cae sobre la estrella central, los investigadores detectaron jets poderosos junto con vientos amplios que contenían gas molecular y atómico. Estos flujos son consistentes con vientos generados por campos magnéticos que atraviesan el disco. El gas puede seguir esas líneas de campo magnético hacia afuera, eliminando tanto material como momento angular del disco.

La Radiación Estelar Toma el Control

A medida que los sistemas planetarios maduran y el flujo de material hacia la estrella disminuye, los jets se debilitan y el gas que escapa se vuelve cada vez más atómico. En esta etapa, la radiación de alta energía de la estrella joven puede penetrar en el material que se adelgaza y calentar el gas en el disco hasta que escape. Este mecanismo se conoce como fotoevaporación.

Gorti ha pasado décadas investigando la evolución y dispersión de los discos protoplanetarios, incluyendo el papel de la radiación ultravioleta y de rayos X de estrellas jóvenes en la generación de vientos fotoevaporativos. Las últimas observaciones del JWST proporcionan una conexión observacional a ese trabajo teórico a través de docenas de sistemas. Indican que la fotoevaporación se vuelve más importante a medida que los discos envejecen y los jets y vientos impulsados magnéticamente se desvanecen.

Los hallazgos sugieren que no hay un solo mecanismo responsable de limpiar un disco formador de planetas. En cambio, los sistemas jóvenes parecen comenzar con jets y vientos poderosamente impulsados magnéticamente antes de transitar hacia una etapa posterior en la que los vientos atómicos, incluidos los producidos a través de la fotoevaporación, se vuelven cada vez más importantes.

Esa transición tiene consecuencias importantes para los planetas en desarrollo.

"La formación de planetas es, por lo tanto, una carrera contra el tiempo", afirmó Bajaj. "Los gigantes gaseosos como Júpiter deben ensamblar sus enormes atmósferas mientras el disco aún es lo suficientemente sustancial como para suministrarles, antes de que los vientos y jets lleven ese material crudo al espacio".

Los investigadores detectaron emisiones extendidas de hidrógeno molecular y neón ionizado en 66 de los 72 discos. Vientos moleculares cónicos aparecieron en 46 sistemas, mientras que jets de neón de movimiento rápido se encontraron en 40. Cada sistema que contenía un jet de neón también mostró evidencia de un viento trazado por hidrógeno molecular u oxígeno.

Una Visión Más Amplia de Cómo Evolucionan los Sistemas Planetarios

El estudio amplía las observaciones anteriores del mismo grupo de investigación. En 2024, Bajaj, Gorti y sus colegas utilizaron el JWST para capturar imágenes del gas que se transportaba fuera del disco formador de planetas que rodea a la joven estrella T Cha.

Ese trabajo anterior demostró que el JWST podía investigar directamente la dispersión del disco en un sistema planetario individual. El nuevo estudio extiende este enfoque a docenas de estrellas jóvenes, revelando cómo cambia el equilibrio entre jets, vientos moleculares y vientos atómicos a medida que los sistemas planetarios envejecen.

Los investigadores ahora desean determinar exactamente cuánto gas eliminan estos vientos a lo largo del tiempo e identificar de dónde dentro del disco proviene el material que escapa. Esas mediciones podrían revelar no solo cuán rápido se cierra la ventana para la formación de planetas, sino también qué regiones de un disco son capaces de producir diferentes tipos de planetas antes de que su suministro de gas desaparezca.