Usando el telescopio espacial James Webb, la colaboración de investigación MINDS dirigida por MPIA descubrió agua en la región interna de un disco de gas y polvo alrededor de la joven estrella PDS 70. Los astrónomos esperan que se formen planetas terrestres en esa zona. Esta es la primera detección de ese tipo en un disco que alberga al menos dos planetas. Cualquier planeta rocoso que se produzca en el disco interior se beneficiaría de una importante reserva de agua local, lo que mejoraría las posibilidades de habitabilidad más adelante.
Este hallazgo ofrece evidencia de un mecanismo para suministrar agua a planetas potencialmente habitables ya durante su formación, además de impactos posteriores de asteroides que contienen agua.
El agua es esencial para la vida en la Tierra. Sin embargo, los científicos debaten cómo llegó a la Tierra y si ese proceso también podría hacer habitables los exoplanetas rocosos alrededor de otras estrellas.
El mecanismo preferido es el suministro de asteroides con agua que bombardean la superficie de un planeta joven. “Es posible que ahora hayamos encontrado evidencia de que el agua también podría servir como uno de los ingredientes iniciales de los planetas rocosos y estar disponible al nacer”, dice Giulia Perotti, astrónoma del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania. Es la autora principal de un artículo de investigación que aparecerá en la revista Nature que informa sobre la detección de agua en el disco de formación de planetas de la joven estrella PDS 70, a unos 370 años luz de distancia.
Agua en el disco interior de PDS 70
Las observaciones con MIRI (Mid-InfraRed Instrument) a bordo del Telescopio Espacial James Webb (JWST) descubrieron agua cerca del centro del disco, cerca de la estrella anfitriona PDS 70. En el sistema solar, esta es la región donde los planetas rocosos orbitan alrededor del sol. Según el análisis, el agua está en forma de vapor caliente, ardiendo a una temperatura de alrededor de 330° Celsius (600° Kelvin).
“Este descubrimiento es extremadamente emocionante, ya que explora la región donde normalmente se forman los planetas rocosos similares a la Tierra”, señala el director de MPIA, Thomas Henning. Es coautor del artículo subyacente, Co-PI (investigador principal) de MIRI, y el PI del programa MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey). MINDS es un programa de tiempo garantizado de JWST en el que participan institutos de investigación de 11 países europeos. Este estudio tiene como objetivo identificar las propiedades de los discos hechos de gas y polvo alrededor de las estrellas jóvenes, lo que puede enseñarnos sobre las condiciones que determinan la composición de los planetas que potencialmente se forman allí.
PDS 70 es el primer disco relativamente antiguo, de aproximadamente 5,4 millones de años, donde los astrónomos encontraron agua. Con el tiempo, el contenido de gas y polvo de los discos formadores de planetas disminuye. O la radiación de la estrella central o el viento eliminan material como polvo y gas, o el polvo se convierte en objetos más grandes que eventualmente forman planetas. Como estudios previos no pudieron detectar agua en las regiones centrales de discos evolucionados de manera similar, los astrónomos sospecharon que podría no sobrevivir a la fuerte radiación estelar, lo que lleva a entornos secos y rocosos de formación de planetas.
La observación de PDS 70 con MIRI a bordo del JWST fue la clave para desafiar esa hipótesis. Como resultado, los perímetros internos de los discos evolucionados y empobrecidos en polvo pueden no estar tan secos después de todo. Si es así, muchos planetas terrestres que se forman en esas zonas podrían nacer con un ingrediente clave para sustentar la vida.
El suministro de agua de los planetas terrestres: naturaleza versus crianza
Sin embargo, los científicos aún no han encontrado ningún planeta cerca del centro del disco PDS 70 hasta el momento. En cambio, los astrónomos detectaron dos planetas gigantes gaseosos más lejos, PDS 70 b y c. Acumularon polvo y gas circundantes mientras orbitaban su estrella anfitriona durante su crecimiento, creando una amplia brecha anular casi sin material detectable.
Aún así, cualquier planeta rocoso que se forme en un entorno rico en agua más cercano a la estrella se beneficiaría de un suministro de agua al comienzo de sus ciclos de vida. Por lo tanto, además del agua transportada a los planetas rocosos inicialmente secos a través de un largo proceso que involucra a los asteroides como un sistema de transporte cósmico algo aleatorio, este nuevo resultado abre la puerta a un mecanismo potencialmente sostenible que proporciona agua a los planetas que ya nacieron.
No es difícil imaginar que tal escenario podría mejorar las posibilidades de encontrar planetas rocosos habitables con abundante agua para albergar vida. El progreso del programa MINDS finalmente mostrará si el agua es común en las zonas de formación de planetas terrestres de discos evolucionados alrededor de estrellas jóvenes o si PDS 70 es simplemente una excepción.
¿Cuál es el origen del agua?
Dado que la presencia de agua fue algo inesperada, el equipo de MINDS está investigando varios escenarios para explicar su hallazgo.
Una posibilidad implica que el agua sea un remanente de una nebulosa inicialmente rica en agua que precede a la etapa del disco. El agua es bastante común, específicamente en su estado congelado, cubriendo pequeñas partículas de polvo. Cuando se somete al calor cerca de una estrella en formación, el agua se evapora y se mezcla con los demás gases. Desafortunadamente, las moléculas de agua son bastante frágiles y se rompen en componentes más pequeños, como hidrógeno y oxígeno, cuando son golpeadas por la dañina radiación UV de la estrella cercana. Sin embargo, el material circundante, como el polvo y las propias moléculas de agua, sirven como escudo protector. Como resultado, al menos parte del agua detectada cerca del PDS 70 podría haber sobrevivido a la destrucción.
Otra fuente podría ser el gas que ingresa desde los bordes exteriores del disco PDS 70. Bajo ciertas circunstancias, el oxígeno y el gas hidrógeno pueden combinarse y formar vapor de agua. Además, el arrastre del gas en movimiento puede arrastrar partículas de polvo ricas en agua que migran desde el prominente anillo exterior de polvo. La estrella central es tan débil que no puede evaporar el hielo de agua a la distancia de ese anillo. Solo cuando los granos de polvo entran en el disco interior cerca de la estrella, el hielo se convierte en gas.
“La verdad probablemente radica en una combinación de todas esas opciones”, dice Perotti. “Aún así, es probable que un mecanismo desempeñe un papel decisivo en el mantenimiento del depósito de agua del disco PDS 70. La tarea futura será descubrir cuál es”.
Hacia completar la imagen
JWST y MIRI son herramientas poderosas. Sin embargo, solo proporcionan algunos aspectos del cuadro completo. Como una pintura que necesita muchos colores diferentes para transmitir su mensaje, los astrónomos aplican diferentes tipos de observaciones y cubren una amplia gama de longitudes de onda para obtener información y completar su comprensión.
En este caso, el equipo usó el espectrógrafo de MIRI para descomponer la radiación infrarroja recibida de PDS 70 en firmas de rangos de longitud de onda pequeños, similar a distinguir un solo color en muchos tonos diferentes. De esta manera, el equipo aisló una gran cantidad de firmas de agua individuales que utilizaron para calcular temperaturas y densidades.
Los astrónomos ya han obtenido observaciones adicionales con telescopios terrestres para completar la imagen. Además, están esperando ansiosamente otro conjunto de observaciones del JWST que proporcionen imágenes detalladas del disco interior del PDS 70. Y tal vez, su estructura revele indicios de planetas terrestres adicionales o los sub-Neptunos algo más grandes que se forman dentro del depósito de agua.
Con información de Nature
