Webb descubrió que los discos de formación de planetas eran más duraderos en el Universo primitivo
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Datos recientes refutan las teorías existentes sobre la formación de planetas en los primeros tiempos de expansión del Universo. El telescopio espacial James Webb de NASA/ESA/CSA acaba de resolver un enigma al probar un controvertido hallazgo realizado con el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA más de 20 años atrás.
En 2003, el telescopio Hubble proporcionó evidencias de un planeta masivo alrededor de una estrella muy antigua, casi tan antigua como el Universo. Estas estrellas poseen solo pequeñas cantidades de elementos más pesados que son los componentes básicos de los planetas. Esto implicaba que se formó algún planeta cuando nuestro Universo era muy joven y que esos planetas tuvieron tiempo de formarse y crecer dentro de sus discos primigenios, incluso más grandes que Júpiter. Pero ¿cómo? Esto era desconcertante.
Para responder a esta pregunta, los investigadores utilizaron el telescopio Webb para estudiar las estrellas de una galaxia cercana que, al igual que el universo primitivo, carece de grandes cantidades de elementos pesados. Descubrieron que no sólo algunas estrellas de esa galaxia tienen discos de formación de planetas, sino que esos discos tienen una vida más larga que los que se observan alrededor de estrellas jóvenes en la galaxia a la que pertenecemos, la Vía Láctea.
![Este gráfico muestra, en la parte inferior izquierda, en amarillo, un espectro de una de las 10 estrellas objetivo de este estudio (así como la luz que la acompaña del entorno inmediato de fondo). Se destacan las huellas espectrales de helio atómico caliente, hidrógeno molecular frío e hidrógeno atómico caliente. En la parte superior izquierda en magenta hay un espectro ligeramente desplazado de la estrella que incluye sólo la luz del entorno de fondo. Este segundo espectro carece de una línea espectral de hidrógeno molecular frío. A la derecha se muestra la comparación de las líneas superior e inferior. Esta comparación muestra un gran pico en el hidrógeno molecular frío que proviene de la estrella, pero no de su entorno nebular. Además, el hidrógeno atómico muestra un pico más grande proveniente de la estrella. Esto indica la presencia de un disco protoplanetario que rodea inmediatamente a la estrella. Los datos se obtuvieron con el conjunto de microobturadores del instrumento NIRSpec (espectrómetro de infrarrojo cercano) del telescopio espacial James Webb. El gráfico lleva por título Estrella en NGC 346, hidrógeno molecular en disco protoplanetario, espectroscopia de matriz de microobturadores NIRSpec que muestra el brillo de la luz de 2,02 a 2,37 micrones de una estrella y su entorno (representado en amarillo) y sólo el entorno de una estrella (representado en rosa) en un gráfico xy de brillo versus longitud de onda en micrones. Dos bandas de longitud de onda, que van de 2,05 a 2,07 y de 2,16 a 2,18, están resaltadas en rojo y etiquetadas como helio atómico caliente, He. Una banda de 2,11 a 2,13 en azul está etiquetada como hidrógeno molecular frío, H 2. El espectro de la estrella más el entorno (amarillo) tiene picos prominentes a 2,06 y 2,17 micrones (He), y a 2,12 micrones (H). El espectro del entorno de la estrella únicamente (rosa) también tiene picos en 2,06 y 2,17 micrones (He), pero no en 2,12 (H). Los dos espectros están desplazados verticalmente para facilitar su lectura. Un recuadro los muestra trazados con la misma alineación vertical: los picos de helio en el espectro de la estrella más el entorno son ligeramente más altos que únicamente los del entorno.] Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)(01.jpg)Este gráfico muestra, en la parte inferior izquierda, en amarillo, un espectro de una de las 10 estrellas objetivo de este estudio (así como la luz que la acompaña del entorno inmediato de fondo inmediato). Se destacan las huellas espectrales de helio atómico caliente, hidrógeno molecular frío e hidrógeno atómico caliente. En la parte superior izquierda en magenta hay un espectro ligeramente desplazado de la estrella que incluye sólo la luz del entorno de fondo. Este segundo espectro carece de una línea espectral de hidrógeno molecular frío. A la derecha se muestra la comparación de las líneas superior e inferior. Esta comparación muestra un gran pico en el hidrógeno molecular frío que proviene de la estrella, pero no de su entorno nebular. Además, el hidrógeno atómico muestra un pico más grande proveniente de la estrella. Esto indica la presencia de un disco protoplanetario que rodea inmediatamente a la estrella. Los datos se obtuvieron con el conjunto de microobturadores del instrumento NIRSpec (espectrómetro de infrarrojo cercano) del telescopio espacial James Webb. El gráfico lleva por título Estrella en NGC 346, hidrógeno molecular en disco protoplanetario, espectroscopia de matriz de microobturadores NIRSpec que muestra el brillo de la luz de 2,02 a 2,37 micrones de una estrella y su entorno (representado en amarillo) y sólo el entorno de una estrella (representado en rosa) en un gráfico xy de brillo versus longitud de onda en micrones. Dos bandas de longitud de onda, que van de 2,05 a 2,07 y de 2,16 a 2,18, están resaltadas en rojo y etiquetadas como helio atómico caliente, He. Una banda de 2,11 a 2,13 en azul está etiquetada como hidrógeno molecular frío, H 2. El espectro de la estrella más el entorno (amarillo) tiene picos prominentes a 2,06 y 2,17 micrones (He), y a 2,12 micrones (H). El espectro del entorno de la estrella únicamente (rosa) también tiene picos en 2,06 y 2,17 micrones (He), pero no en 2,12 (H). Los dos espectros están desplazados verticalmente para facilitar su lectura. Un recuadro los muestra trazados con la misma alineación vertical: los picos de helio en el espectro de la estrella más el entorno son ligeramente más altos que únicamente los del entorno. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
“Con Webb, tenemos una confirmación realmente sólida de lo que vimos con el Hubble, y debemos repensar cómo modelamos la formación de planetas y la evolución temprana en el Universo joven”, dijo el líder del estudio, Guido De Marchi del Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial de la ESA en Noordwijk, Países Bajos.
Un entorno diferente en los primeros momentos #
En el Universo primitivo, las estrellas se formaban principalmente a partir de hidrógeno y helio, y muy pocos elementos más pesados como el carbono y el hierro, que aparecieron más tarde a través de explosiones de supernovas.
“Los modelos actuales predicen que, con tan pocos elementos más pesados, los discos que rodean a las estrellas tienen una vida corta, tan corta, de hecho, que los planetas no pueden crecer mucho”, dijo la coinvestigadora del estudio del Webb, Elena Sabbi, jefa científica del Observatorio Gemini en el NOIRLab de la Fundación Nacional de la Ciencia en Tucson. “Pero el Hubble vio esos planetas, así que ¿qué pasa si los modelos no son correctos y los discos pueden vivir más tiempo?”, se interrogó.
Para probar esta idea, los científicos enfocaron a Webb en la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia enana que es una de las vecinas más cercanas de la Vía Láctea. En particular, examinaron el cúmulo masivo de formación estelar NGC 346, que también tiene una relativa falta de elementos más pesados. El cúmulo sirvió como un indicador cercano para estudiar entornos estelares con condiciones similares en el Universo temprano y distante.
Las observaciones de NGC 346 realizadas con el Hubble a mediados de la década de 2000 revelaron que muchas estrellas de entre 20 y 30 millones de años de antigüedad todavía parecían tener discos de formación planetaria a su alrededor, lo que contradecía la creencia convencional de que dichos discos se disiparían después de 2 ó 3 millones de años.
“Los hallazgos del Hubble fueron controvertidos, pues no sólo contradecían las evidencias empíricas de nuestra galaxia, sino también los modelos actuales”, según De Marchi. “Fue interesante, pero sin una manera de obtener espectros de esas estrellas, no podíamos determinar realmente si estábamos presenciando una acreción genuina y la presencia de discos, o simplemente algunos efectos artificiales”.
Ahora, gracias a la sensibilidad y resolución del telescopio Webb, los científicos tienen los primeros espectros de estrellas en formación similares al Sol y sus entornos inmediatos en una galaxia cercana. “Vemos que estas estrellas están efectivamente rodeadas de discos y todavía están en proceso de engullir material, incluso a la edad relativamente avanzada de 20 ó 30 millones de años”, dijo De Marchi. “Esto también implica que los planetas tienen más tiempo para formarse y crecer alrededor de estas estrellas que en las regiones de formación estelar cercanas en nuestra propia galaxia”.
Una manera nueva de pensar #
Este hallazgo refuta las predicciones teóricas previas de que cuando hay muy pocos elementos más pesados en el gas que rodea al disco, la estrella lo destruiría muy rápidamente. Por lo tanto, la vida del disco sería muy corta, incluso menos de un millón de años. Pero si un disco no permanece alrededor de la estrella el tiempo suficiente para que los granos de polvo se adhieran entre sí y se formen guijarros que se conviertan en el núcleo de un planeta, ¿cómo pueden formarse los planetas?
Los investigadores explicaron que podría haber dos mecanismos distintos, o incluso una combinación, para que los discos de formación de planetas persistan en entornos escasos en elementos más pesados.
En primer lugar, para poder expulsar el disco, la estrella aplica presión de radiación. Para que esta presión sea efectiva, elementos más pesados que el hidrógeno y el helio tendrían que residir en el gas. Pero el cúmulo estelar masivo NGC 346 sólo tiene alrededor del diez por ciento de los elementos más pesados que están presentes en la composición química de nuestro Sol. Tal vez simplemente a una estrella de este cúmulo le toma más tiempo dispersar su disco.
La segunda posibilidad es que, para que se forme una estrella similar al Sol cuando hay pocos elementos más pesados, tendría que empezar a partir de una nube de gas más grande. Una nube de gas más grande producirá un disco más grande. Por lo tanto, hay más masa en el disco y, por lo tanto, tardaría más en expulsarlo, incluso si la presión de radiación funcionara de la misma manera.
“Al haber más materia alrededor de las estrellas, la acreción dura más tiempo”, dijo Sabbi. “Los discos tardan diez veces más en desaparecer. Esto tiene implicaciones para la forma en que se forma un planeta y el tipo de arquitectura de sistemas que se puede tener en estos diferentes entornos. Es muy emocionante”.
El artículo científico Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low apareció en la edición del 16 de diciembre de 2024 de The Astrophysical Journal. Autores: Guido De Marchi, Giovanna Giardino, Katia Biazzo, Nino Panagia, Elena Sabbi, Tracy L. Beck, Massimo Robberto, Peter Zeidler, Olivia C. Jones, Margaret Meixner, Katja Fahrion, Nolan Habel, Conor Nally, Alec S. Hirschauer, David R. Soderblom, Omnarayani Nayak, Laura Lenkić, Ciaran Rogers, Bernhard Brandl & Charles D. Keyes
English version #
Webb finds planet-forming discs lived longer in early Universe #
New data refutes current theories of planet formation in Universe’s early days. The NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope just solved a conundrum by proving a controversial finding made with the NASA/ESA Hubble Space Telescope more than 20 years ago.
In 2003, Hubble provided evidence of a massive planet around a very old star, almost as old as the Universe. Such stars possess only small amounts of heavier elements that are the building blocks of planets. This implied that some planet formation happened when our Universe was very young, and those planets had time to form and grow big inside their primordial discs, even bigger than Jupiter. But how? This was puzzling.
To answer this question, researchers used Webb to study stars in a nearby galaxy that, much like the early Universe, lacks large amounts of heavy elements. They found that not only do some stars there have planet-forming discs, but that those discs are longer-lived than those seen around young stars in our Milky Way galaxy.
“With Webb, we have a really strong confirmation of what we saw with Hubble, and we must rethink how we model planet formation and early evolution in the young Universe,” said study leader Guido De Marchi of ESA’s European Space Research and Technology Centre in Noordwijk, Netherlands.
A different environment in early times #
In the early Universe, stars formed from mostly hydrogen and helium, and very few heavier elements such as carbon and iron, which came later through supernova explosions.
“Current models predict that with so few heavier elements, the discs around stars have a short lifetime, so short in fact that planets cannot grow big,” said the Webb study’s co-investigator Elena Sabbi, chief scientist for Gemini Observatory at the National Science Foundation’s NOIRLab in Tucson. “But Hubble did see those planets, so what if the models were not correct and discs could live longer?”
To test this idea, scientists trained Webb on the Small Magellanic Cloud, a dwarf galaxy that is one of the Milky Way’s nearest neighbors. In particular, they examined the massive, star-forming cluster NGC 346, which also has a relative lack of heavier elements. The cluster served as a nearby proxy for studying stellar environments with similar conditions in the early, distant Universe.
Hubble observations of NGC 346 from the mid 2000s revealed many stars about 20 to 30 million years old that seemed to still have planet-forming discs around them. This went against the conventional belief that such discs would dissipate after 2 or 3 million years.
“The Hubble findings were controversial, going against not only empirical evidence in our galaxy but also against the current models,” said De Marchi. “This was intriguing, but without a way to obtain spectra of those stars, we could not really establish whether we were witnessing genuine accretion and the presence of discs, or just some artificial effects.”
Now, thanks to Webb’s sensitivity and resolution, scientists have the first-ever spectra of forming, Sun-like stars and their immediate environments in a nearby galaxy.
“We see that these stars are indeed surrounded by discs and are still in the process of gobbling material, even at the relatively old age of 20 or 30 million years,” said De Marchi. “This also implies that planets have more time to form and grow around these stars than in nearby star-forming regions in our own galaxy.”
A New Way of Thinking #
This finding refutes previous theoretical predictions that when there are very few heavier elements in the gas around the disc, the star would very quickly blow away the disc. So the disc’s life would be very short, even less than a million years. But if a disc doesn’t stay around the star long enough for the dust grains to stick together and pebbles to form and become the core of a planet, how can planets form?
The researchers explained that there could be two distinct mechanisms, or even a combination, for planet-forming discs to persist in environments scarce in heavier elements.
First, to be able to blow away the disc, the star applies radiation pressure. For this pressure to be effective, elements heavier than hydrogen and helium would have to reside in the gas. But the massive star cluster NGC 346 only has about ten percent of the heavier elements that are present in the chemical composition of our Sun. Perhaps it simply takes longer for a star in this cluster to disperse its disc.
The second possibility is that, for a Sun-like star to form when there are few heavier elements, it would have to start from a larger cloud of gas. A bigger gas cloud will produce a bigger disc. So there is more mass in the disc and therefore it would take longer to blow the disc away, even if the radiation pressure were working in the same way.
“With more matter around the stars, the accretion lasts for a longer time,” said Sabbi. “The discs take ten times longer to disappear. This has implications for how you form a planet, and the type of system architecture that you can have in these different environments. This is so exciting.”
The science team’s paper Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low was published in the 16 December 2024 issue of The Astrophysical Journal. Authors: Guido De Marchi, Giovanna Giardino, Katia Biazzo, Nino Panagia, Elena Sabbi, Tracy L. Beck, Massimo Robberto, Peter Zeidler, Olivia C. Jones, Margaret Meixner, Katja Fahrion, Nolan Habel, Conor Nally, Alec S. Hirschauer, David R. Soderblom, Omnarayani Nayak, Laura Lenkić, Ciaran Rogers, Bernhard Brandl & Charles D. Keyes