El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha protagonizado un nuevo descubrimiento, publicado recientemente en forma de preimpresión en arXiv, gracias a Cicero Lu del Observatorio Gemini y sus colaboradores. En esta ocasión, el telescopio espacial más avanzado de la humanidad ha detectado monóxido de carbono fluorescente en el ultravioleta en un disco de escombros protoplanetarios por primera vez. Este hallazgo también revela características del disco con implicaciones significativas para las teorías sobre la formación de planetas.
HD 131488 es una estrella relativamente joven (de aproximadamente 15 millones de años) ubicada en el subgrupo Upper Centaurus Lupus, en la constelación de Centauro, a unos 500 años luz de distancia. Se clasifica como una estrella de tipo “A temprana”, lo que significa que es más caliente y masiva que nuestro Sol. Tampoco es la primera vez que su disco es objeto de estudio.
Estudios previos realizados con ALMA, que opera en frecuencias de radio, encontraron una gran cantidad de gas de CO “frío” y polvo a una distancia aproximada de 30 a 100 UA de la estrella. Datos infrarrojos preliminares del Observatorio Gemini y el Telescopio Infrarrojo de la NASA (IRTF) mostraron la probable presencia de polvo caliente y algunas características en estado sólido en la zona interna de la estrella. Estudios ópticos adicionales incluso sugirieron la existencia de “gas atómico caliente”, como el calcio y el potasio, en el disco interno, que no es lo mismo que el CO, ya que este último, por definición, es una molécula.
Video mostrando la formación de planetas en un disco protoplanetario. Crédito – NASA Video
Sin embargo, la clave para comprender realmente lo que ocurría en la parte interna del disco residía en el espectro infrarrojo, y es precisamente en este ámbito donde brilla el JWST. O, más precisamente, donde recopila datos sobre aquello que brilla hacia él. Cuando dirigió su atención a HD 131488, probablemente durante solo una hora en febrero de 2023, detectó una pequeña cantidad de gas de CO “caliente”, equivalente a aproximadamente cien mil veces la masa del gas frío en el disco exterior.
Este gas se extendía entre 0.5 UA y 10 UA, y presentaba un par de características interesantes. En primer lugar, existía una diferencia entre la temperatura “vibracional” y la temperatura “rotacional”. La temperatura vibracional de un gas representa la velocidad a la que los átomos dentro de la molécula vibran hacia adelante y hacia atrás, mientras que la temperatura rotacional representa la velocidad a la que las moléculas giran, algo equivalente a la energía cinética. En un estado gaseoso normal, como el que se encuentra en una habitación típica, estas dos temperaturas serían iguales debido a las colisiones entre las partículas, que las igualarían a algo llamado Equilibrio Térmico Local.
Sin embargo, alrededor de HD 131488, la diferencia es enorme. La temperatura rotacional de la molécula de CO es de solo alrededor de 450K como máximo (disminuyendo a 150K más lejos de la estrella), mientras que su temperatura vibracional es de unos impresionantes 8800K, coincidiendo con el resplandor ultravioleta de su estrella anfitriona. Esto demuestra que no están en equilibrio térmico, y también explica por qué las moléculas parecen fluorescentes (calientes).
*Cometary collisions happening in a protoplanetary disc. Credit – NASA / JPL-Caltech*
También se encontró que la relación entre Carbono-12 y C-13 era alta para este tipo de entorno, lo que implica que probablemente haya granos de polvo atrapados en la escasa nube de gas caliente que bloquean la luz. Además, para emitir el patrón de luz que detectó el JWST, el CO necesita “compañeros de colisión”, otras moléculas que reboten contra él y le resten energía. Se estudiaron dos posibles compañeros, siendo el hidrógeno menos probable, mientras que el vapor de agua procedente de cometas destruidos por la estrella parece más probable.
Esta hipótesis “exocometaria” es un hallazgo clave del estudio. Los científicos han debatido durante mucho tiempo qué crea esta clase relativamente rara de discos de escombros ricos en CO, como HD 131488, y cómo conservan su gas. Se han propuesto dos hipótesis para explicarlo: primero, que los discos ricos en CO son simplemente restos del nacimiento de la estrella, y segundo, que el gas se repone constantemente por la destrucción de cometas.
Los resultados de este estudio respaldan firmemente la segunda explicación. Pero también tienen implicaciones para la formación de planetas. Dado que había una cantidad significativa de carbono y oxígeno en esta “zona terrestre” del disco, junto con una escasez de hidrógeno, cualquier planeta que se formara allí tendría una alta “metalicidad” (es decir, elementos que no son hidrógeno). Esto lo distinguiría de las nebulosas primordiales ricas en hidrógeno.
En última instancia, estos descubrimientos pioneros son exactamente para lo que fue diseñado el JWST, y ha estado produciendo un flujo constante de ellos desde su lanzamiento. Sin duda, existen más sistemas estelares como HD 131488 que pueden aportar más pruebas al debate sobre los discos ricos en CO, pero por ahora, este estudio proporciona amplias pruebas sobre cómo se forman estos sistemas relativamente raros.
Más información:
C. X. Lu et al – JWST/NIRSpec Detects Warm CO Emission in the Terrestrial-Planet Zone of HD 131488
UT – Why Rocky Planets Form Early: ALMA Survey Shows Planet-Forming Disks Lose Gas Faster Than Dust
UT – Astronomers See Carbon-Rich Nebulae Where Planets are Forming
UT – A Protoplanetary Disk That Refuses to Grow Up
