03 Oct Discos de escombros extremos revelan colisiones planetarias

Observaciones del James Webb y archivos del ya retirado Spitzer revelan la composición y evolución de discos de escombros extremos, posibles huellas de colisiones que también pudieron ocurrir en el Sistema Solar.

En los primeros tiempos de nuestro Sistema Solar, un objeto del tamaño de Marte llamado Theia chocó contra la Tierra recién formada, vaporizando enormes cantidades de roca y lanzándolas al espacio. Parte de ese material se aglomeró y formó la Luna.

Ahora, un equipo de astrónomos ha utilizado el Telescopio Espacial James Webb para examinar una clase de sistemas estelares jóvenes que muestra indicios de cataclismos similares y aporta pistas sobre la energía de sus colisiones.

Los resultados ofrecen información sobre la composición y la evolución de estos sistemas caóticos.

Discos de escombros extremos

El entorno que rodea a una estrella cambia a medida que envejece: comienza con un disco protoplanetario joven y rico en gas, donde pueden formarse planetas, y termina con un disco de escombros pobre en gas.

Durante su misión, el ya retirado Telescopio Espacial Spitzer examinó con más detalle esta última etapa y descubrió una subclase denominada discos de escombros extremos.

Estos sistemas contienen cantidades inusualmente grandes de polvo caliente cerca de la estrella, en una región comparable a aquella donde orbitan los planetas rocosos de nuestro Sistema Solar.

Un equipo de astrónomos dirigido por Kate Su, del Instituto de Ciencias Espaciales en Boulder, Colorado, investigó estos intrigantes objetos con Webb.

Una fase poco frecuente

En contra de las predicciones teóricas, que sugieren que deberíamos observar muchos discos de escombros extremos, las observaciones indican que estos entornos son poco frecuentes.

A partir de los datos recopilados hasta ahora, los científicos estiman que solo alrededor del 1 % de las estrellas jóvenes presenta indicios observables de esta fase. Quizá también nuestro propio Sistema Solar la atravesó durante su formación.

A pesar de su rareza, el equipo logró reunir una muestra de 21 discos de escombros extremos: cinco procedentes de los archivos de Spitzer y 16 observados con Webb, incluidos 12 discos recién observados y observaciones de seguimiento de cuatro de los detectados por Spitzer.

«Es la primera vez que reunimos suficientes sistemas para comprender de verdad esta subclase, a la que llamamos discos de escombros extremos», dice Su. «Antes del Webb, teníamos información limitada. Sabíamos que eran extraños y muy distintos de los típicos discos de escombros fríos que conocemos, como los de Vega y Fomalhaut. Ahora que tenemos más datos, podemos precisar qué representan estos discos para la formación y la evolución planetarias».

Tres propiedades clave

El equipo confirmó que los discos de escombros extremos comparten tres propiedades clave:

• Granos de polvo más pequeños que los de los discos protoplanetarios o los discos de escombros clásicos.
• Una alta concentración de polvo caliente.
• Variaciones irregulares de brillo.

Los espectros en el infrarrojo medio obtenidos por Webb y Spitzer revelaron estas características. Para averiguar qué las provoca, el equipo analizó la composición mineralógica de los discos.

Los científicos descubrieron que la muestra podía clasificarse en discos ricos y pobres en sílice.

El vidrio volcánico, como la obsidiana, es un ejemplo de material rico en sílice que se encuentra en la Tierra. En cambio, la forsterita, un mineral pobre en sílice, aparece en forma de granos de arena verdes.

La categoría de un disco de escombros extremo aporta información sobre el tipo de colisiones que producen los escombros del impacto y puede ayudar a explicar sus variaciones de brillo en el infrarrojo.

«Lo más emocionante para mí fue observar su emisión en el infrarrojo medio y las hermosas características espectrales del Webb, que nos permitieron identificar su composición», dice Agnes Kospal, del Observatorio Konkoly en Budapest, Hungría. «No tenemos otra forma de estudiar directamente estos embriones planetarios porque son demasiado pequeños».

Dos tipos de discos revelan distintas clases de colisiones

Alrededor de un tercio de la muestra de discos de escombros extremos es rica en sílice, lo que sugiere que estos sistemas se originan en impactos de alta energía entre cuerpos del tamaño de Marte, en los que se vaporiza una parte considerable del material.

Los dos tercios restantes son pobres en sílice, lo que indica que las colisiones ocurren a menor escala, por ejemplo, mediante roces entre objetos del tamaño de la Luna.

Los discos extremos ricos en sílice solo se encuentran alrededor de estrellas de menos de 300 millones de años, mientras que los discos extremos pobres en sílice persisten en un amplio rango de edades y suelen presentar mayores variaciones de brillo.

El equipo propone que estas variaciones de brillo se deben a la rápida evolución orbital y colisional de los escombros recientes producidos por múltiples impactos.

Estos hallazgos sobre los discos de escombros extremos también pueden aplicarse a nuestro propio Sistema Solar, que quizá haya atravesado más de una fase de este tipo.

«La formación de los planetas rocosos y la evolución de los planetas gigantes forman parte de la historia más amplia de la formación del Sistema Solar: todo es una sola historia», dice Su. «Nuestro trabajo sobre los discos de escombros extremos nos ayuda a unir las piezas y construir una visión general de lo que entendemos actualmente».

Nuevas pistas sobre el pasado del Sistema Solar

Las simulaciones sugieren que los planetas terrestres, como la Tierra, deberían formarse durante los primeros cientos de millones de años de vida de un Sistema Solar.

Este periodo concuerda con las edades de los discos de escombros extremos ricos en sílice observados hasta ahora.

También coincide con la estimación de que la Tierra y la Luna se formaron unos 100 millones de años después del Sol, y de que la Luna probablemente surgió de una colisión entre la Tierra y un objeto del tamaño de Marte.

En cuanto a si nuestro Sol atravesó una fase de disco extremo pobre en sílice, si los discos antiguos pobres en sílice y sus variaciones aleatorias de brillo en el infrarrojo reflejan inestabilidad orbital, esto sería, en términos generales, compatible con la hipótesis del Bombardeo Intenso Tardío para nuestro Sistema Solar.

Según ese escenario, los planetas gigantes gaseosos migraron distancias considerables, alterando gravitacionalmente las órbitas de cuerpos más pequeños y desencadenando colisiones catastróficas.

Estas colisiones generarían las fases breves y ricas en polvo que se observan en los discos de escombros extremos.

«Por supuesto, todavía hay muchas cosas que no sabemos sobre estos discos», dice Attila Moor, del Observatorio Konkoly. «Esperamos que no haya sistemas ricos en sílice entre los discos de escombros extremos más antiguos. En nuestra muestra solo tenemos tres discos que cumplen ese criterio de edad, así que sería estupendo observar más sistemas de este tipo para confirmar nuestra hipótesis».

Fuente: Webb provides crash course on planet-shattering collisions