El telescopio Webb de la NASA descubre colisiones de mundos del tamaño de Marte

El telescopio espacial James Webb de la NASA brindó a los astrónomos una nueva perspectiva sobre las colisiones violentas que pudieron haber dado forma a nuestro sistema solar, incluyendo el impacto gigante que se considera responsable de la formación de la Luna. Al investigar 21 discos de escombros extremos alrededor de estrellas jóvenes, los investigadores descubrieron que el polvo en estos discos puede revelar la escala e intensidad de las colisiones planetarias.

Una de las colisiones más significativas en la historia temprana del sistema solar fue la que ocurrió entre la joven Tierra y un cuerpo del tamaño de Marte, conocido como Theia. Este impacto probablemente vaporizó grandes cantidades de roca y lanzó material al espacio, parte del cual se unió posteriormente para formar la Luna, donde actualmente el programa Artemis de la NASA está preparando el regreso de los humanos, con la vista puesta en Marte y el futuro de la exploración espacial.

Los astrónomos utilizaron el telescopio Webb para investigar sistemas estelares jóvenes que parecen estar experimentando eventos similares de colisión. Al estudiar estos sistemas, los investigadores pudieron estimar cuán enérgicas fueron las colisiones y aprender más sobre cómo se forman y evolucionan los planetas rocosos.

Los hallazgos del equipo se publicaron el 1 de octubre en The Astrophysical Journal.

Objetivo del Webb: Discos de Escombros Extremos

El material que rodea a una estrella cambia significativamente con el tiempo. Las estrellas jóvenes comienzan con un disco protoplanetario rico en gas, donde pueden formarse planetas. A medida que el sistema madura, ese entorno se transforma en un disco de escombros pobre en gas.

Durante su funcionamiento, el telescopio espacial Spitzer de la NASA estudió estos discos de escombros y identificó una categoría inusual conocida como discos de escombros extremos. Estos sistemas contienen cantidades excepcionalmente grandes de polvo caliente cerca de sus estrellas, aproximadamente en la misma región donde orbitan los planetas rocosos en nuestro sistema solar.

Kate Su, del Space Science Institute en Boulder, Colorado, lideró un equipo de astrónomos que utilizó el Webb para investigar estos sistemas inusuales en mayor detalle.

Los modelos teóricos sugieren que los discos de escombros extremos deberían ser relativamente comunes, pero las observaciones indican lo contrario. Según los datos recopilados hasta ahora, los científicos estiman que solo alrededor del 1% de las estrellas jóvenes muestran signos observables de esta etapa. Nuestro propio sistema solar también podría haber pasado por una fase similar durante su formación.

A pesar de que estos sistemas son poco comunes, los investigadores reunieron una muestra de 21 discos de escombros extremos. Cinco provenían de observaciones archivadas de Spitzer y 16 fueron estudiados con Webb. De la muestra del Webb, 12 discos fueron observaciones nuevas, mientras que cuatro fueron seguimientos de sistemas previamente examinados por Spitzer.

"Esta es la primera vez que hemos reunido suficientes sistemas para comprender verdaderamente esta subclase que llamamos discos de escombros extremos", afirmó Su, autora principal del artículo. "Antes de Webb, teníamos información limitada. Sabíamos que son extraños y muy diferentes de los típicos discos de escombros fríos que conocemos, como Vega y Fomalhaut. Ahora que tenemos más datos, podemos determinar qué representan estos discos para la formación y evolución de planetas."

El Polvo Revela la Naturaleza de las Colisiones Planetarias

Los investigadores confirmaron que los discos de escombros extremos tienen tres características definitorias. Sus granos de polvo son más pequeños que los encontrados en discos protoplanetarios o en discos de escombros más típicos, contienen concentraciones inusualmente altas de polvo caliente y su brillo cambia de manera irregular con el tiempo. Webb y Spitzer revelaron estas características a través de espectros de infrarrojo medio.

Para entender qué podría estar produciendo estos rasgos inusuales, los investigadores examinaron los minerales presentes en los discos. Su análisis mostró que los sistemas podrían dividirse en dos grupos amplios: discos ricos en sílice y discos pobres en sílice.

En la Tierra, el vidrio volcánico, como el obsidiana, es un ejemplo de material rico en sílice. El mineral pobre en sílice, forsterita, se puede ver como granos de arena verde en ciertas playas de Hawái.

La distinción entre un disco rico o pobre en sílice puede revelar información importante sobre la colisión que creó sus escombros. También podría ayudar a explicar por qué algunos de los discos fluctúan más dramáticamente en brillo infrarrojo.

"Ver su emisión en infrarrojo medio y las hermosas características espectrales con Webb, que nos permitió identificar sus composiciones, fue lo más emocionante para mí", dijo Agnes Kospal del Konkoly Observatory en Budapest, Hungría, y coautora del estudio. "No tenemos otra manera de estudiar estos embriones planetarios directamente porque son demasiado pequeños."

Mundos del Tamaño de Marte Podrían Estar Colisionando

Aproximadamente un tercio de los discos en la muestra son ricos en sílice. Los investigadores afirman que estos sistemas probablemente se formaron tras colisiones extremadamente enérgicas entre cuerpos del tamaño de Marte. Tales impactos serían lo suficientemente poderosos como para vaporizar una cantidad sustancial de material rocoso.

Los otros dos tercios son pobres en sílice. Estos sistemas parecen resultar de colisiones de menor energía, incluyendo impactos rasantes entre objetos del tamaño de la Luna.

Los investigadores también encontraron una diferencia de edad importante entre los dos grupos. Los discos ricos en sílice solo se han identificado alrededor de estrellas menores de 300 millones de años. Sin embargo, los discos pobres en sílice ocurren alrededor de estrellas que abarcan un rango de edades mucho más amplio y tienden a mostrar cambios más fuertes en el brillo.

El equipo sugiere que esta variabilidad puede provenir de la rápida evolución de los escombros recién creados. Cambios en la órbita del material, junto con colisiones adicionales, podrían causar que el brillo infrarrojo aumente y disminuya con el tiempo.

Los hallazgos también pueden ayudar a los científicos a reconstruir la historia de nuestro propio sistema solar, que podría haber pasado por más de una fase de disco de escombros extremos.

"Cómo se formaron los planetas rocosos y cómo evolucionaron los planetas gigantes son parte de la historia más amplia de la formación del sistema solar. Todo es una sola historia", dijo Su. "Nuestro trabajo sobre los discos de escombros extremos ayuda a unir la gran imagen de lo que actualmente entendemos."

Pistas sobre la Colisión que Formó la Luna

Las simulaciones por computadora sugieren que los planetas terrestres, incluida la Tierra, deberían emerger dentro de los primeros cientos de millones de años después de que comienza a formarse un sistema solar.

Esta línea de tiempo coincide con las edades de los discos extremos ricos en sílice observados hasta ahora. También es consistente con las estimaciones de que la Tierra y la Luna se formaron aproximadamente 100 millones de años después del Sol, siendo la Luna probablemente el resultado de una colisión entre la Tierra y un objeto del tamaño de Marte.

Los científicos también están interesados en si el Sol pudo haber pasado alguna vez por una fase de disco de escombros extremos pobre en sílice.

Si los discos pobres en sílice más antiguos y sus aparentemente aleatorios periodos de cambio en el brillo infrarrojo son causados por inestabilidad orbital, el patrón sería ampliamente compatible con la hipótesis del Bombardeo Pesado Tardío para nuestro sistema solar.

En ese escenario, los planetas gigantes se desplazaron significativamente de sus posiciones originales. Su movimiento perturbó las órbitas de objetos más pequeños, desencadenando colisiones catastróficas y produciendo breves períodos llenos de grandes cantidades de polvo, similar a lo que los astrónomos ahora observan en los discos de escombros extremos.

"Por supuesto, hay muchas cosas que aún no sabemos sobre estos discos", dijo Attila Moor del Konkoly Observatory, coautor del estudio. "No esperamos encontrar sistemas ricos en sílice entre los discos de escombros extremos más antiguos. Solo tenemos tres discos en nuestra muestra que se ajustan a ese criterio de edad, así que será interesante observar más de estos sistemas para confirmar nuestra hipótesis."

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb está resolviendo misterios en nuestro sistema solar, mirando más allá hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas y sondeando las estructuras y orígenes misteriosos de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).