Así como algunos niños se parecen físicamente a sus padres, muchos científicos han pensado durante mucho tiempo que los planetas en desarrollo deberían parecerse al disco giratorio de gas y polvo que los vio nacer.
Pero, en un nuevo estudio, un equipo de astrofísicos dirigido por la Universidad Northwestern descubrió que el parecido podría ser menor de lo que se creía anteriormente. Al estudiar un exoplaneta aún en formación y su disco natal circundante, los investigadores descubrieron una composición desigual de los gases en la atmósfera del planeta en comparación con los gases dentro del disco.
El sorprendente hallazgo potencialmente confirma el escepticismo mantenido durante mucho tiempo de que el modelo actual de los científicos sobre la formación de planetas es demasiado simplificado.
El estudio aparece en Astrophysical Journal Letters. Marca la primera vez que los físicos han comparado la información de un exoplaneta, su disco natal y su estrella anfitriona.
«Para los astrofísicos observacionales, una imagen ampliamente aceptada de la formación de planetas probablemente era demasiado simplificada», dijo Chih-Chun «Dino» Hsu de Northwestern, quien dirigió el estudio.
«Según esa imagen simplificada, la proporción de gases de carbono y oxígeno en la atmósfera de un planeta debería coincidir con la proporción de gases de carbono y oxígeno en su disco natal, suponiendo que el planeta acrecienta materiales a través de los gases en su disco. En cambio, encontramos un planeta con una proporción de carbono y oxígeno que es mucho menor en comparación con su disco. Ahora, podemos confirmar las sospechas de que la imagen de la formación de planetas era demasiado simplificada».
Hsu es un asociado postdoctoral en el Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Está asesorado por Jason Wang, profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del CIERA.
En busca de material de nacimiento visible
Todos los planetas nacen de un disco natal, un disco giratorio de gas y polvo que rodea a una nueva estrella. A lo largo de millones de años, la gravedad atrae el gas y el polvo para formar grupos, que finalmente se convierten en planetas. Hasta hace poco, era imposible obtener una vista directa de un disco natal para rastrear el nacimiento de un planeta. La mayoría de los exoplanetas observables son demasiado viejos, por lo que sus discos natales ya han desaparecido.
La excepción, sin embargo, es PDS 70, un disco natal que envuelve dos exoplanetas gigantes gaseosos incipientes, similares a Júpiter, llamados PDS 70b y PDS 70c. Ubicados a solo 366 años luz de la Tierra dentro de la constelación de Centauro, los planetas tienen, como máximo, unos jóvenes 5 millones de años.
«Este es un sistema en el que vemos tanto planetas aún en formación como los materiales a partir de los cuales se formaron», dijo Wang. «Estudios anteriores han analizado este disco de gas para comprender su composición. Por primera vez, pudimos medir la composición del planeta aún en formación y ver cuán similares son los materiales en el planeta en comparación con los materiales en el disco».
Examinando las huellas planetarias
Para medir los materiales, Hsu, Wang y su equipo examinaron la luz emitida por PDS 70b. Esta luz, o espectros, es como una huella dactilar que revela la composición, el movimiento, la temperatura y otras características de un objeto. Cada molécula o elemento produce su propio espectro. Al estudiar estos espectros, los investigadores pueden identificar las moléculas o elementos específicos dentro de un objeto.
En un trabajo anterior, Wang había co-desarrollado nuevas tecnologías fotónicas para permitir a los astrónomos capturar el espectro de objetos débiles específicos cerca de estrellas mucho más brillantes. Los investigadores utilizaron esta técnica para centrarse en las características débiles del joven sistema planetario.
«Estas nuevas herramientas permiten tomar espectros realmente detallados de objetos débiles al lado de objetos realmente brillantes», dijo Wang. «Porque el desafío aquí es que hay un planeta realmente débil al lado de una estrella realmente brillante. Es difícil aislar la luz del planeta para analizar su atmósfera».
Con los espectros, los investigadores obtuvieron información sobre el monóxido de carbono y el agua de PDS 70b. A partir de eso, calcularon la proporción inferida de carbono y oxígeno dentro de la atmósfera del planeta. Luego, compararon esa proporción con mediciones informadas previamente de gases en el disco.
«En un principio esperábamos que la proporción de carbono y oxígeno en el planeta fuera similar a la del disco», dijo Hsu. «Pero, en cambio, descubrimos que la proporción de carbono en relación con el oxígeno en el planeta era mucho menor que la del disco. Eso fue un poco sorprendente y demuestra que nuestra imagen ampliamente aceptada de la formación de los planetas era demasiado simplificada».
Los componentes sólidos podrían marcar la diferencia
Para explicar este desajuste, Hsu y Wang creen que podrían estar en juego dos escenarios diferentes. Una explicación es que el planeta podría haberse formado antes de que su disco se enriqueciera con carbono. Otra explicación es que el planeta podría haber crecido principalmente absorbiendo grandes cantidades de materiales sólidos además de gases. Si bien los espectros muestran solo gases, parte del carbono y el oxígeno inicialmente podrían haberse acumulado a partir de materiales sólidos, atrapados en hielo y polvo.
«Si el planeta absorbió preferentemente hielo y polvo, entonces ese hielo y polvo se habrían evaporado antes de entrar en el planeta», dijo Wang. «Por lo tanto, podría estar diciéndonos que no podemos simplemente comparar gas con gas. Los componentes sólidos podrían marcar una gran diferencia en la relación carbono-oxígeno».
Para este estudio, el equipo solo estudió PDS 70b. A continuación, planean observar los espectros del otro planeta en el sistema PDS 70.
«Al estudiar estos dos planetas juntos, podemos comprender aún mejor la historia de formación del sistema», dijo Hsu. «Pero, además, este es sólo un sistema. Lo ideal sería que identifiquemos más para entender mejor cómo se forman los planetas».
Con información de arXiv
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