18 Dic Webb: Discos protoplanetarios longevos en el Universo temprano

El Telescopio Espacial James Webb ha confirmado que los discos protoplanetarios que rodean a estrellas primigenias del Universo temprano son más longevos de lo que se creía, resolviendo así un controvertido hallazgo realizado por el Telescopio Espacial Hubble hace más de 20 años.

En 2003, el Hubble encontró evidencia de un planeta masivo alrededor de una estrella muy antigua, casi tan antigua como el Universo. Estas estrellas poseen solo pequeñas cantidades de elementos pesados, que son los bloques fundamentales para la formación de planetas.

Comparativa que muestra una imagen del cúmulo estelar masivo NGC 346 tomada por el Hubble (izquierda) frente a una imagen del mismo cúmulo capturada por el Webb (derecha). Mientras que la imagen del Hubble muestra más nebulosidad, la imagen del Webb atraviesa esas nubes y revela más detalles de la estructura del cúmulo. NGC 346 tiene una relativa escasez de elementos más pesados que el helio y el hidrógeno, lo que lo convierte en un buen análogo de los entornos estelares en el Universo temprano y distante.

Un hallazgo desconcertante

Este hallazgo desconcertó a los científicos, ya que sugería que cierta formación planetaria ocurrió cuando el Universo era muy joven. A pesar de esta juventud, esos planetas lograron formarse y crecer dentro de sus discos protoplanetarios, alcanzando tamaños incluso mayores que Júpiter.

¿Cómo fue esto posible? Para responder a esta pregunta, los científicos han utilizado el Webb para estudiar estrellas en una galaxia cercana que, al igual que el Universo temprano, carece de grandes cantidades de elementos pesados.

Los científicos descubrieron que no solo algunas estrellas allí poseen discos protoplanetarios, sino que estos discos tienen una vida útil más larga que los observados alrededor de estrellas jóvenes en nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Con el Webb, se ha confirmado de manera contundente lo ya visto con el Hubble. En vista de ello, los científicos deben ahora replantearse los modelos de formación de planetas y su evolución en el Universo temprano.

NGC 346: un análogo cercano del Universo temprano

En el Universo temprano, las estrellas se formaban principalmente a partir de hidrógeno y helio, con muy pocos elementos más pesados como carbono o hierro. Estos elementos surgieron más tarde, a través de explosiones de supernovas.

Los modelos actuales predicen que, con tan pocos elementos pesados, los discos protoplanetarios alrededor de estas estrellas tienen una vida muy corta, tan corta que los planetas no pueden crecer mucho.

Sin embargo, el telescopio Hubble detectó planetas de grandes dimensiones alrededor de estas estrellas primigenias. Así que es posible que los modelos actuales no sean correctos y los discos protoplanetarios puedan vivir más tiempo.

Para probar esto, los científicos apuntaron el telescopio Webb hacia la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia enana vecina de la Vía Láctea.

En particular, examinaron el cúmulo estelar NGC 346, conocido por formar estrellas masivas y por su relativa falta de elementos pesados. Este cúmulo sirve como un análogo cercano para estudiar entornos estelares similares a los del Universo temprano.

Las observaciones del Hubble

Las observaciones de NGC 346 realizadas con el Hubble a mediados de la década de 2.000 revelaron muchas estrellas de entre 20 y 30 millones de años que parecían tener discos protoplanetarios a su alrededor.

Estas observaciones contradecían la creencia convencional de que estos discos deberían disiparse después de 2 o 3 millones de años. Los hallazgos del Hubble fueron controvertidos, ya que contradecían tanto la evidencia empírica en nuestra galaxia como los modelos actuales.

Sin embargo, sin los espectros de estas estrellas, los científicos no podían establecer si realmente estaban viendo acreción genuina y la presencia de discos protoplanetarios, o solo efectos artificiales.

Primeros espectros de estrellas en formación en otra galaxia

Gracias a la sensibilidad y resolución del Webb, los científicos ahora cuentan con los primeros espectros de estrellas en formación similares al Sol y sus entornos inmediatos en una galaxia cercana.

Han confirmado que estas estrellas están efectivamente rodeadas por discos protoplanetarios y que todavía están acumulando material, incluso a la edad relativamente avanzada de 20 o 30 millones de años.

Esto también implica que los planetas tienen más tiempo para formarse y crecer alrededor de estas estrellas que en las regiones de formación estelar cercanas de nuestra galaxia.

Dos mecanismos distintos

Este hallazgo refuta las predicciones teóricas previas, que sostenían que con muy pocos elementos pesados en el gas del disco, la estrella expulsaría rápidamente el disco, limitando su vida útil a menos de un millón de años.

Los científicos explicaron que podrían existir dos mecanismos distintos, o una combinación de ambos, que permitan que los discos protoplanetarios persistan en entornos pobres en elementos pesados.

Primero, para dispersar el disco, la estrella aplica presión de radiación. Para que esta presión sea efectiva, los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio deben estar presentes en el gas.

Sin embargo, el cúmulo estelar masivo NGC 346 solo tiene alrededor del 10% de los elementos pesados presentes en la composición química del Sol. Quizás simplemente le lleve más tiempo a una estrella en este cúmulo dispersar su disco.

La segunda posibilidad es que, para que se forme una estrella similar al Sol con pocos elementos pesados, debe partir de una nube de gas más grande.

Una nube de gas mayor generará un disco más grande, con más masa, lo que prolonga el tiempo necesario para dispersar el disco, incluso si la presión de radiación actúa de la misma manera.

Con más materia alrededor de las estrellas, la acreción dura más tiempo y los discos protoplanetarios tardan diez veces más en desaparecer. Esto tiene implicaciones para la formación de planetas y la arquitectura de sistemas que se puede dar en estos entornos distintos.

Fuente: Webb finds planet-forming discs lived longer in early Universe