El Telescopio Espacial James Webb (JWST) participó en otro primer descubrimiento disponible recientemente en forma preimpresa en arXiv de Cicero Lu en el Observatorio Gemini y sus coautores. Esta vez, el telescopio espacial más avanzado de la humanidad encontró por primera vez monóxido de carbono fluorescente UV en un disco de desechos protoplanetarios. También descubrió algunas características de ese disco que tienen implicaciones considerables para la teoría de la formación planetaria.
HD 131488 es una estrella relativamente joven (~15 millones de años) del subgrupo Upper Centaurus Lupus, en (no es de extrañar) la constelación de Centaurus a unos 500 años luz de distancia. Está clasificada como una estrella de “tipo A temprano”, lo que significa que es más caliente y más masiva que nuestro Sol. Tampoco es la primera vez que es objeto de un artículo sobre su disco.
Estudios anteriores de ALMA, que operaba en radiofrecuencias, encontraron una enorme cantidad de gas y polvo CO «frío» a aproximadamente 30-100 AU de distancia de la estrella. Datos infrarrojos preliminares adicionales del Observatorio Gemini y la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA (IRTF) mostraron que probablemente había polvo caliente y algunas características de estado sólido en la zona interior de la estrella. Estudios ópticos adicionales incluso insinuaron que había algo de “gas atómico caliente”, como calcio y potasio, en el disco interno, que no es lo mismo que el CO ya que, por definición, es una molécula.
Vídeo que muestra la formación de planetas en un disco protoplanetario. Crédito – Vídeo de la NASA
Pero la clave para comprender verdaderamente lo que estaba sucediendo en la parte interna del disco estaba en el espectro infrarrojo, y ahí es donde brilla JWST. O, más exactamente, dónde recopila datos sobre las cosas que brillan en él. Cuando centró su atención en HD 131488, lo que probablemente hizo durante alrededor de una hora en febrero de 2023, encontró una pequeña cantidad de gas CO «caliente», equivalente a aproximadamente cien mil de la masa del gas frío en el disco exterior.
Este gas se distribuía entre 0,5 AU y 10 AU y tenía un par de características interesantes. Primero, había una diferencia entre temperatura «vibracional» y temperatura «rotacional». La temperatura de vibración de un gas representa qué tan rápido vibran los átomos dentro de la molécula hacia adelante y hacia atrás, mientras que la temperatura de rotación representa qué tan rápido giran las moléculas, algo equivalente a la energía cinética. En un estado de gas normal, como el que se encontraría en una habitación típica, estas dos temperaturas serían las mismas, ya que las colisiones entre las partículas las equilibrarían en algo llamado equilibrio térmico local.
Sin embargo, en torno al HD 131488, la diferencia es enorme. La temperatura de rotación de la molécula de CO es de solo alrededor de 450 K como máximo (cayendo a 150 K más lejos de la estrella), mientras que su temperatura de rotación es de unos abrasadores 8800 K, lo que coincide con el resplandor ultravioleta de su estrella anfitriona. Esto muestra que no están en equilibrio térmico y también explica por qué las moléculas aparecen fluorescentes (cálidas).
*Colisiones cometarias que ocurren en un disco protoplanetario. Crédito – NASA / JPL-Caltech*
También se encontró que la proporción de Carbono-12 a C-13 era alta para este tipo de ambiente, lo que implicaba que probablemente haya algunos granos de polvo atrapados en la escasa nube de gas cálido que bloquea la luz. Además, para emitir el patrón de luz que encontró JWST, el CO necesita «compañeros de colisión», otras moléculas que rebotan en ellos y minan parte de su energía. Se estudiaron dos socios potenciales: el hidrógeno parece menos probable, mientras que el vapor de agua de los cometas que son destruidos por la estrella parece más probable.
Esa hipótesis «exocometaria» es un hallazgo clave del artículo. Los científicos han debatido durante mucho tiempo qué crea esta clase relativamente rara de discos de desechos ricos en CO, como HD 131488, y cómo retienen su gas. Se han propuesto dos hipótesis para explicar esto: primero, que los discos ricos en CO son simplemente restos del nacimiento de la estrella, y segundo, que el gas se repone constantemente mediante la destrucción de los cometas.
Los resultados de este estudio aterrizan firmemente a favor de la segunda explicación. Pero también tienen implicaciones para la formación planetaria. Dado que había una cantidad significativa de carbono y oxígeno en esta «zona terrestre» del disco, junto con una escasez de hidrógeno, cualquier planeta que se formara allí tendría una alta «metalicidad» (es decir, elementos que no son hidrógeno). Eso las distinguiría de las nebulosas primordiales ricas en hidrógeno.
En última instancia, estos descubrimientos únicos en su tipo son exactamente para lo que se diseñó JWST y ha estado produciendo un flujo constante de ellos desde su lanzamiento. Sin duda, hay más sistemas estelares como HD 131488 que pueden agregar más evidencia al debate sobre los discos ricos en CO, pero por ahora este artículo proporciona mucha evidencia sobre cómo se forman estos sistemas relativamente raros.
Más información:
CX Lu y otros – JWST/NIRSpec detecta emisiones cálidas de CO en la zona del planeta terrestre de HD 131488
TU – Los astrónomos ven nebulosas ricas en carbono donde se están formando planetas