El Telescopio Espacial James Webb ha captado sus primeras imágenes directas de dióxido de carbono en un planeta fuera del sistema solar, HR 8799, un sistema multiplanetario a 130 años luz de distancia que ha sido durante mucho tiempo un objetivo clave para los estudios de formación planetaria.
Las observaciones proporcionan evidencia sólida de que los cuatro planetas gigantes del sistema se formaron de forma muy similar a Júpiter y Saturno, mediante la lenta formación de núcleos sólidos. También confirman que el Webb puede hacer más que inferir la composición atmosférica a partir de mediciones de luz estelar: puede analizar directamente la composición química de las atmósferas de los exoplanetas.
«Al detectar estas fuertes características de dióxido de carbono, hemos demostrado que existe una fracción considerable de elementos más pesados, como carbono, oxígeno y hierro, en las atmósferas de estos planetas. Dado lo que sabemos sobre la estrella que orbitan, esto probablemente indica que se formaron mediante acreción del núcleo, lo que para los planetas que podemos ver directamente es una conclusión emocionante», afirmó William Balmer, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins que dirigió el trabajo.
Un análisis de las observaciones, que también incluyó un sistema a 96 años luz de distancia llamado 51 Eridani, aparece en The Astrophysical Journal.
HR 8799 es un sistema joven de unos 30 millones de años, una fracción de los 4.600 millones de años de nuestro sistema solar. Aún calientes debido a su violenta formación, los planetas HR 8799 emiten grandes cantidades de luz infrarroja que proporcionan a los científicos datos valiosos sobre cómo se compara su formación con la de estrellas o enanas marrones.
Los planetas gigantes pueden formarse de dos maneras: mediante la formación lenta de núcleos sólidos que atraen gas, como nuestro sistema solar, o mediante el colapso rápido del disco de enfriamiento de una estrella joven en objetos masivos. Conocer qué modelo es más común puede proporcionar a los científicos pistas para distinguir entre los tipos de planetas que encuentran en otros sistemas.
«Nuestra esperanza con este tipo de investigación es comprender nuestro propio sistema solar, la vida y a nosotros mismos en comparación con otros sistemas exoplanetarios, para que podamos contextualizar nuestra existencia», afirmó Balmer. Queremos fotografiar otros sistemas solares y ver en qué se parecen o se diferencian del nuestro. A partir de ahí, podemos intentar comprender cuán peculiar es realmente nuestro sistema solar, o cuán normal es.
Se han fotografiado directamente muy pocos exoplanetas, ya que los planetas distantes son miles de veces más débiles que sus estrellas. Al capturar imágenes directas en longitudes de onda específicas solo accesibles con el Webb, el equipo está allanando el camino para realizar observaciones más detalladas y determinar si los objetos que observan orbitando otras estrellas son realmente planetas gigantes o objetos como enanas marrones, que se forman como estrellas, pero no acumulan suficiente masa para iniciar la fusión nuclear.
«Tenemos otras líneas de evidencia que apuntan a la formación de estos cuatro planetas HR 8799 utilizando este enfoque ascendente», afirmó Laurent Pueyo, astrónomo del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, quien codirigió el trabajo.
«¿Qué tan común es esto en planetas de período largo que podemos fotografiar directamente? Aún no lo sabemos, pero proponemos más observaciones del Webb, inspiradas en nuestros diagnósticos de dióxido de carbono, para responder a esa pregunta».
El logro fue posible gracias a los coronógrafos del Webb, que bloquean la luz de estrellas brillantes, como ocurre en un eclipse solar, para revelar mundos que de otro modo estarían ocultos. Esto permitió al equipo buscar luz infrarroja en longitudes de onda que revelan gases específicos y otros detalles atmosféricos.
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Al analizar el rango de longitud de onda de 3 a 5 micrómetros, el equipo descubrió que los cuatro planetas HR 8799 contienen más elementos pesados de lo que se creía, otro indicio de que se formaron de forma similar a los gigantes gaseosos de nuestro sistema solar.
Las observaciones también revelaron la primera detección del planeta más interno, HR 8799 e, a una longitud de onda de 4,6 micrómetros, y de 51 Eridani b a 4,1 micrómetros, lo que demuestra la sensibilidad del Webb para observar planetas tenues cerca de estrellas brillantes.
En 2022, una de las técnicas de observación clave del Webb detectó indirectamente dióxido de carbono en otro exoplaneta, llamado WASP-39 b, al rastrear cómo su atmósfera alteraba la luz estelar al pasar frente a su estrella.
«Esto es lo que los científicos han estado haciendo con planetas en tránsito o enanas marrones aisladas desde el lanzamiento del JWST», afirmó Pueyo.
Rémi Soummer, director del Laboratorio de Óptica del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial y anteriormente responsable de las operaciones del coronógrafo del Webb, añadió: «Sabíamos que el JWST podía medir los colores de los planetas exteriores en sistemas captados directamente. Llevamos 10 años esperando confirmar que nuestras operaciones, perfectamente ajustadas, del telescopio también nos permitirían acceder a los planetas interiores.
Ahora tenemos los resultados y podemos realizar investigaciones científicas interesantes con ellos».
El equipo espera utilizar los coronógrafos del Webb para analizar más planetas gigantes y comparar su composición con los modelos teóricos.
«Estos planetas gigantes tienen implicaciones muy importantes», afirmó Balmer.
«Si estos enormes planetas actúan como bolas de bolos recorriendo nuestro sistema solar, pueden perturbar, proteger o, en menor medida, hacer ambas cosas a planetas como el nuestro. Por lo tanto, comprender mejor su formación es un paso crucial para comprender la formación, la supervivencia y la habitabilidad de planetas similares a la Tierra en el futuro».
Con información de The Astrophysical Journal
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