Júpiter puede ser el rey de los planetas en nuestro Sistema Solar, pero en otros sistemas estelares de la galaxia, planetas aún más grandes orbitan a miles de millones de kilómetros de sus estrellas, en lugares donde las teorías de formación tradicionales tienen dificultades para explicar su existencia.
En un nuevo estudio, investigadores examinan tres gigantes gaseosos masivos a unos 130 años luz de distancia, utilizando su composición atmosférica para investigar cómo se forman planetas tan enormes.
Cuatro gigantes gaseosos conocidos orbitan HR 8799, una estrella de tipo F en la constelación de Pegaso. Todos son colosales, con una masa entre 5 y 10 veces la de Júpiter.
Utilizando espectros de resolución moderada del instrumento NIRSpec del JWST, los investigadores realizaron un análisis detallado de la composición atmosférica de los tres planetas interiores del sistema a longitudes de onda entre 3 y 5 micras.
Los gigantes gaseosos pueden alcanzar el rango de masa de las enanas marrones – objetos que fusionan brevemente deuterio – sin embargo, los astrónomos creen que ambos se forman de maneras fundamentalmente diferentes.
Las enanas marrones se forman como las estrellas, a través de un colapso gravitacional de arriba hacia abajo, pero carecen de la masa necesaria para mantener la fusión de hidrógeno.
La formación de planetas se atribuye en gran medida a la acreción de núcleos, un proceso de abajo hacia arriba en el que los núcleos crecen lentamente a medida que la materia sólida se agrupa en un disco protoplanetario. Algunos núcleos grandes también pueden acumular gases sobrantes de su nebulosa ancestral, convirtiéndose eventualmente en gigantes gaseosos.
Esa es la historia de fondo predominante para Júpiter y Saturno, pero ¿podría funcionar en un sistema como HR 8799, donde gigantes más pesados orbitan a mayores distancias?
Esas distancias varían de 15 a 70 unidades astronómicas (2 mil millones a 10 mil millones de km), lo que significa que los planetas están aproximadamente entre 15 y 70 veces más lejos de su estrella que la Tierra del Sol.
A esa escala, algunos expertos cuestionan si planetas tan masivos y lejanos podrían formarse por acreción de núcleos. Se espera que la acreción proceda más lentamente tan lejos de la estrella, lo que podría dejar poco tiempo para que los planetas acumulen suficiente material antes de que el disco se disipe. Una solución es que estos mundos podrían surgir a partir de un colapso gravitacional, similar a las enanas marrones.
Para probar esa idea, los investigadores utilizaron datos del JWST de los planetas de HR 8799 para buscar azufre, un elemento refractario que está principalmente bloqueado en granos sólidos en los discos protoplanetarios. Detectar azufre en la atmósfera de un planeta señalaría, por lo tanto, la acreción de material sólido durante la formación.
“Con su sensibilidad sin precedentes, el JWST está permitiendo el estudio más detallado de las atmósferas de estos planetas, brindándonos pistas sobre sus vías de formación”, dice el co-primer autor Jean-Baptiste Ruffio, astrónomo de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego).
Los autores encontraron evidencia sólida de sulfuro de hidrógeno en HR 8799 c y d, y sus modelos atmosféricos indican un enriquecimiento de azufre similar en los tres planetas interiores.
“Con la detección de azufre, podemos inferir que los planetas HR 8799 probablemente se formaron de manera similar a Júpiter a pesar de ser de 5 a 10 veces más masivos, lo cual fue inesperado”, dice Ruffio.
Aunque los planetas son miles de veces más débiles que su estrella anfitriona, la sensibilidad del JWST permitió a los investigadores separar sus débiles señales del resplandor estelar.
Los investigadores superaron esto construyendo modelos atmosféricos complejos de los planetas, que pudieron ajustar y comparar con los datos.
“Al final, detectamos varias moléculas en estos planetas, algunas por primera vez, incluido el sulfuro de hidrógeno”, dice el astrónomo y co-primer autor del estudio Jerry Xuan de la Universidad de California, Los Ángeles.
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Los planetas están uniformemente enriquecidos en elementos pesados, incluidos carbono, oxígeno y azufre, en comparación con su estrella anfitriona, lo que indica que grandes cantidades de material sólido se incorporaron durante su formación.
El nivel de enriquecimiento de elementos pesados es difícil de conciliar con algunos modelos de formación clásicos, encontraron los investigadores.
“No hay manera de que la formación planetaria sea tan eficiente”, dice Michael Meyer, un astrónomo de la Universidad de Michigan.
Los investigadores deberán observar otros sistemas más allá de HR 8799, pero por ahora, la eficiencia con la que se formaron sus tres planetas masivos es bastante desconcertante.
“Es un enigma. Realmente nos quedamos con un misterio aquí”, dice Meyer.
El estudio fue publicado en Nature Astronomy.
