El telescopio espacial James Webb ofrece un muestra intensiva sobre colisiones que sacudieron a la Tierra

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En los albores de nuestro Sistema Solar, un objeto del tamaño de Marte llamado Theia impactó contra la joven Tierra, vaporizando enormes cantidades de roca y lanzándolas al espacio. Parte de ese material se condensó para formar la Luna. Ahora, los astrónomos han utilizado el Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA para examinar una clase de sistemas estelares jóvenes que muestran indicios de convulsiones similares, lo que proporciona pistas sobre la cantidad de energía liberada en sus colisiones. Los resultados ofrecen información valiosa sobre la composición y la evolución de estos sistemas caóticos.

Concepto artístico de una estrella y su disco de escombros sobre el fondo negro del espacio. La estrella se encuentra en el fondo, a la derecha del centro, y se representa como una pequeña esfera luminosa. El disco de escombros es un gran anillo azul que la rodea. El disco de escombros está inclinado hacia el espectador, de modo que la porción más cercana se extiende más allá del marco inferior de la ilustración. Numerosos fragmentos rocosos oscuros se encuentran dispersos por todo el disco de escombros. En primer plano, hacia la izquierda, se observa un pequeño embrión planetario colisionando con el lado izquierdo de un objeto esférico más grande. El lugar del impacto brilla con un intenso color amarillo y naranja, y presenta una apariencia moteada, como si fragmentos de ambos cuerpos en colisión se estuvieran desintegrando y destruyendo. Corrientes de vapor de color amarillo anaranjado se extienden desde la zona de colisión. Detrás del disco de escombros y su estrella, se aprecian numerosas estrellas pequeñas en el fondo. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

El entorno que rodea a una estrella cambia a medida que envejece, comenzando con un disco protoplanetario juvenil y rico en gas donde pueden residir los planetas en formación y terminando con un disco de escombros pobre en gas. Durante su vida útil, el telescopio espacial Spitzer de la NASA, ya retirado, examinó la etapa del disco de escombros con aún más detalle, descubriendo una subclase denominada discos de escombros extremos. Estos sistemas albergan cantidades inusualmente grandes de polvo caliente cerca de la estrella, en una región comparable a donde orbitan los planetas rocosos en nuestro Sistema Solar. Un equipo de astrónomos liderado por Kate Su, del Instituto de Ciencias Espaciales en Boulder, Colorado, investigó estos intrigantes objetos con el telescopio Webb.

Los hallazgos realizados por el equipo de investigadores fueron publicados en The Astrophysical Journal.

La rareza de los escombros extremos
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Contrariamente a las predicciones teóricas, que sugieren que deberíamos observar muchos discos de escombros extremos, las observaciones indican que estos entornos son raros. Los científicos estiman que aproximadamente solo el 1 % de las estrellas jóvenes muestran señales observables de esta fase, según los datos recopilados hasta ahora, incluyendo posiblemente nuestro propio Sistema Solar durante su formación. A pesar de su rareza, el equipo logró recopilar una muestra de 21 discos de escombros extremos, incluyendo cinco de los datos de archivo del telescopio Spitzer y dieciséis de Webb, con 12 discos observados recientemente y observaciones de seguimiento de cuatro de Spitzer.

“Esta es la primera vez que hemos reunido suficientes sistemas para comprender verdaderamente esta subclase que llamamos discos de escombros extremos”, dijo Su, autor principal del artículo. “Antes del Webb, teníamos información limitada. Sabíamos que son extraños y muy diferentes de los discos de escombros fríos típicos que conocemos, como Vega y Fomalhaut. Ahora que tenemos más datos, podemos determinar qué representan estos discos para la formación y evolución planetaria”.

Discos de escombros extremos
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El equipo confirmó que los discos de escombros extremos comparten tres propiedades clave: granos de polvo más pequeños que los de los discos de escombros protoplanetarios o clásicos, una alta concentración de polvo caliente y variaciones irregulares de brillo, todo ello revelado por los espectros de infrarrojo medio de Webb y Spitzer.

Para determinar el factor determinante de estas características, el equipo estudió la composición mineralógica de los discos. Descubrieron que su muestra podía clasificarse en discos ricos en sílice y discos pobres en sílice. El vidrio volcánico, como la obsidiana, es un ejemplo de material rico en sílice que se encuentra en la Tierra, mientras que el mineral pobre en sílice, la forsterita, se presenta como granos de arena verde. La categoría de un disco de escombros extremos proporciona información sobre el tipo de colisiones que produjeron los escombros del impacto y puede ayudar a explicar su variabilidad en el brillo infrarrojo.

“Para mí, lo más emocionante fue poder observar su emisión en el infrarrojo medio y sus hermosas características espectrales con el telescopio Webb, lo que nos permitió identificar su composición”, declaró Agnes Kospal, del Observatorio Konkoly en Budapest, Hungría, y coautora del estudio. “No tenemos otra forma de estudiar directamente estos embriones planetarios porque son demasiado pequeños”.

Impactos de alta energía
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De su muestra, aproximadamente un tercio es rico en sílice, lo que sugiere que estos discos se producen por impactos de alta energía entre cuerpos del tamaño de Marte, donde una porción significativa del material se vaporiza. Los dos tercios restantes de su muestra son pobres en sílice, lo que indica que las colisiones ocurren a menor escala, como roces, entre objetos del tamaño de la Luna. Los discos ricos en sílice se encuentran solo alrededor de estrellas más jóvenes de 300 millones de años, mientras que los discos pobres en sílice persisten en un amplio rango de edades y a menudo muestran una mayor variabilidad de brillo. El equipo propone que esta variabilidad es impulsada por la rápida evolución orbital y colisional de los restos recientes producidos por múltiples impactos.

También para nosotros
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Sus hallazgos pueden aplicarse a nuestro propio Sistema Solar, que puede haber experimentado más de una fase extrema de disco de escombros.

“Cómo se formaron los planetas rocosos y cómo evolucionaron los planetas gigantes forman parte de la historia más amplia de la formación del Sistema Solar; es una sola historia”, dijo Su. “Nuestro trabajo sobre discos de escombros extremos nos ayuda a comprender mejor el panorama general de lo que entendemos actualmente”.

Gráfico con discos de escombros extremos, composición a lo largo del tiempo que muestra un gráfico y una línea de tiempo correspondiente del Sistema Solar. El eje y del gráfico está etiquetado como Sílice con una flecha hacia arriba que indica rico y una flecha hacia abajo que indica pobre. El eje x está etiquetado como Edad (millones de años) y comienza con 1 a la izquierda y aumenta en factores de diez, terminando con 1000 a la derecha. Una leyenda a la derecha tiene 3 símbolos: el punto negro es un disco rico en sílice, el morado es un disco pobre en sílice y el naranja es un disco protoplanetario. Los 27 puntos naranjas están dentro de los primeros 10 millones de años y varían en composición de sílice. Los 8 puntos negros y los 13 morados comienzan a aparecer alrededor de los 10 millones. Los puntos negros se detienen alrededor de los 100 millones. Los puntos morados continúan hacia la derecha. La línea de tiempo debajo tiene las mismas etiquetas que el eje x del gráfico. Una banda gris antes de 100 marca el impacto que formó la Luna. Una banda gris antes de 1000 marca el bombardeo intenso tardío. Tres bandas azules se extienden de izquierda a derecha: Formación de planetas gigantes, Formación de planetas terrestres y migración/inestabilidad orbital de planetas gigantes. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

Las simulaciones sugieren que los planetas terrestres, como la Tierra, deberían formarse durante los primeros cientos de millones de años de la formación de un Sistema Solar. Este período coincide con las edades de los discos de escombros extremos ricos en sílice observados hasta ahora y concuerda con la estimación de que la Tierra y la Luna se formaron unos 100 millones de años después de la formación del Sol, siendo la Luna probablemente el resultado de una colisión entre la Tierra y un objeto del tamaño de Marte.

En cuanto a si nuestro Sol experimentó una fase de disco extremo con bajo contenido de sílice, si los discos más antiguos con bajo contenido de sílice y sus intervalos aleatorios de brillo infrarrojo reflejan inestabilidad orbital, esto sería ampliamente consistente con la hipótesis del Bombardeo Intenso Tardío para nuestro Sistema Solar. En ese escenario, los planetas gigantes gaseosos migraron distancias significativas, perturbando gravitacionalmente las órbitas de cuerpos más pequeños y desencadenando colisiones catastróficas que generaron las fases efímeras y ricas en polvo observadas en los discos de escombros extremos.

«Por supuesto, aún hay muchas cosas que desconocemos sobre estos discos», afirmó Attila Moor, del Observatorio Konkoly, coautor del estudio. «No esperamos encontrar sistemas ricos en sílice entre los discos de escombros extremos más antiguos. Solo contamos con tres discos en nuestra muestra que cumplen con ese criterio de edad, por lo que será interesante observar más sistemas de este tipo para confirmar nuestra hipótesis».

Datos sobre el telescopio James Webb
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El telescopio Webb es el más grande y potente jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la Agencia Espacial Europea proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el cohete Ariane 5. En colaboración con sus socios (NASA y la Agencia Espacial Canadiense), la ESA fue responsable del desarrollo y la cualificación de las adaptaciones del Ariane 5 para la misión Webb, así como de la contratación del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo NIRSpec, el instrumento principal, y el 50 % del instrumento de infrarrojo medio MIRI, diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados por los Estados Unidos (el Consorcio Europeo MIRI) en colaboración con el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y la Universidad de Arizona.