Revelan el origen del vino, la edad de los huesos y los fósiles y sirven como herramientas de diagnóstico en medicina. Los isótopos y los isotopólogos (moléculas que difieren sólo en la composición de sus isótopos) también desempeñan un papel cada vez más importante en la astronomía. Por ejemplo, la proporción de isótopos de carbono-12 (12C) y carbono-13 (13C) en la atmósfera de un exoplaneta permite a los científicos inferir la distancia a la que el exoplaneta orbita su estrella central.
Hasta ahora, el 12C y el 13C unidos en monóxido de carbono eran los únicos isotopólogos que podían medirse en la atmósfera de un exoplaneta. Ahora un equipo de investigadores ha logrado detectar isotopólogos de amoníaco en la atmósfera de una enana marrón fría.
Como acaba de informar el equipo en la revista Nature, el amoníaco podría medirse en forma de 14NH3 y 15NH3. En el estudio participaron los astrofísicos Polychronis Patapis y Adrian Glauser, miembros del Departamento de Física y del Centro Nacional de Competencia en Investigación PlanetS (NCCR), siendo Patapis uno de los primeros autores.
En busca de amoníaco
Las enanas marrones se encuentran a medio camino entre las estrellas y los planetas: se parecen en muchos aspectos a los planetas gaseosos gigantes, por lo que pueden utilizarse como sistema modelo para estudiar los gigantes gaseosos. En su trabajo, Patapis y sus colegas observaron una enana marrón, llamada WISE J1828, que se encuentra a 32,5 años luz de la Tierra; en el cielo nocturno se encuentra en la constelación de Lyra, la lira.
WISE J1828 no se puede ver a simple vista: con una temperatura efectiva (es decir, la temperatura de un cuerpo negro que emitiría la misma cantidad de energía que el objeto observado) de sólo 100°C, es demasiado frío para la fusión de hidrógeno. que se lleve a cabo y envíe luz hasta la Tierra. Para detectar esta estrella enana ultrafría de clase espectral Y, el verano pasado se giraron los espejos del Telescopio Espacial James Webb (JWST) en dirección a la lira.
El instrumento de infrarrojo medio (MIRI), un detector de infrarrojos instalado a bordo del JWST, hizo posible revelar los isotopólogos de amoníaco en WISE J1828. En el rango de longitud de onda entre 4,9 y 27,9 μm, el espectrómetro de resolución media (MRS) del MIRI registró un espectro de la enana marrón donde, además de amoníaco, los investigadores observaron moléculas de agua y metano, cada una con bandas de absorción características.
En particular, el amoníaco provoca una atenuación de la señal que llega al detector en el rango de longitud de onda comprendido entre 9 y 13 µm.
Los isotopólogos del amoníaco también se pueden resolver espectroscópicamente: si las moléculas de amoníaco no se componen del isótopo de nitrógeno más común, 14N, que está unido a tres átomos de hidrógeno, sino de 15N más tres átomos de hidrógeno, el neutrón adicional en el núcleo de nitrógeno garantiza que Hay una torcedura en el espectro que puede explicarse por la presencia de 15NH3.
Un nuevo diagnóstico para exoplanetas
La proporción de los dos isotopólogos de amoníaco medidos en la atmósfera de WISE J1828 es especialmente interesante: como explican Patapis y sus colegas, la proporción 14NH3 a 15NH3 es un marcador, es decir, un indicador que se puede utilizar en el futuro para estudiar formación de estrellas y planetas. Es una nueva herramienta que ayudará a probar diferentes mecanismos de formación conocidos de gigantes gaseosos.
Los gigantes gaseosos como Júpiter o Saturno no son exclusivos de nuestro sistema solar. Estos cuerpos desempeñan un papel importante en el estudio de los exoplanetas: aparecen temprano durante la formación de las estrellas y, por lo tanto, son un factor crucial que determina si se desarrollan planetas más pequeños y ligeros y cómo. Hasta ahora no ha habido una respuesta definitiva a la pregunta de cómo se forman los gigantes gaseosos.
Los expertos han desarrollado diferentes teorías, pero no está claro si estos planetas se forman por acreción nuclear (como la mayoría de los otros planetas) o como resultado del colapso gravitacional en el disco protoplanetario alrededor de la estrella progenitora.
La proporción de isotopólogos registrada por Patapis y sus compañeros de trabajo puede proporcionar nuevas pistas. En la Tierra, hay 272 átomos de 14N por cada átomo de 15N. El artículo informa que la proporción de 14NH3 a 15NH3 medida en la atmósfera de WISE J1828 es 670, lo que significa que la enana marrón ha acumulado menos nitrógeno-15 durante su formación en comparación con la Tierra y otros planetas como Júpiter. . De hecho, la abundancia de 15N es más escasa en WISE J1828 que en todos los cuerpos celestes de nuestro sistema solar.
Diferentes escenarios para la formación de planetas
Los procesos del llamado fraccionamiento de isótopos, es decir, el cambio en la abundancia de isótopos, no se comprenden completamente, pero se cree que los impactos de los cometas contribuyen al enriquecimiento de nitrógeno-15 porque los cometas tienen un contenido de 15N significativamente mayor. También se cree que los impactos de los cometas son un componente planetario fundamental en el sistema solar: los cometas contribuyeron a la formación de la atmósfera terrestre, aunque no está del todo claro en qué medida.
Un bajo contenido de 15NH3 en el espectro de WISE J1828 sugiere que la enana marrón no siguió la forma habitual de formación de planetas (es decir, acreción nuclear), sino que se formó como una estrella, un escenario que apunta a un colapso gravitacional. Por lo tanto, es probable que este tipo de inestabilidad gravitacional desempeñe un papel importante en la formación de gigantes gaseosos, especialmente aquellos que se mueven alrededor de su estrella en órbitas grandes.
De hecho, este es otro punto importante discutido en el artículo: la proporción de 14NH3 a 15NH3 parece variar mucho dependiendo de la distancia entre un gigante gaseoso y su estrella, como lo muestran las simulaciones de un planeta en formación entre el hielo de amoníaco y nitrógeno molecular. líneas.
En astronomía, las líneas de hielo indican las distancias mínimas desde la estrella central a las que la temperatura es lo suficientemente baja como para que un compuesto químico volátil particular cambie a una forma sólida. Según Patapis y sus colegas, la observación de una mayor proporción de 14NH3 a 15NH3 podría indicar una acumulación planetaria de hielo entre las líneas de hielo de amoníaco y nitrógeno.
Los astrónomos acaban de adquirir una herramienta adicional para estudiar exoplanetas directamente observables. El rastro de amoníaco sólo se hizo tangible gracias al JWST, lo que confirma una vez más el enorme valor y el rendimiento incomparable de este telescopio espacial.
Con información de Nature
