Astrónomos descubren un inesperado dato sobre la formación de planetas: los dos factores que influyen en su tamaño

Existen dos tipos de planetas: los gigantes gaseosos, compuestos principalmente de hidrógeno y helio, y los planetas rocosos, formados por materiales sólidos como silicato y metal. Ambos se originan en los discos protoplanetarios que rodean a las estrellas jóvenes.

Sin embargo, estos objetos tienen una ventana limitada para formarse antes de que el gas que los alimenta desaparezca para siempre.

Un estudio con datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés) revela, con un nivel de detalle sin precedentes, cómo y cuándo ese gas escapa de los discos donde nacen los planetas, y qué mecanismos son responsables de esa pérdida en cada etapa de la vida de un sistema joven. La investigación, liderada por científicos de la Universidad de Arizona, se publicó en The Astronomical Journal.

Menos gas, menos planetas: la cuenta regresiva imposible de detener

Los planetas nacen en los llamados discos protoplanetarios: enormes nubes de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes. En sus primeros millones de años, el Sol estuvo rodeado por uno de estos discos con aproximadamente 100 veces más gas que polvo. La mayor parte de ese gas desapareció con el tiempo.

Entender cómo ocurre ese proceso es importante por una razón concreta: el gas es el principal ingrediente de los gigantes gaseosos como Júpiter o Saturno. Si el gas se va demasiado pronto, esos planetas no tienen tiempo de acumular sus atmósferas densas.

Vikram Bajaj, líder del estudio, destacó: “La formación planetaria es una carrera contra el tiempo. Los gigantes gaseosos como Júpiter deben ensamblar sus atmósferas masivas mientras el disco todavía tiene suficiente gas para alimentarlos, antes de que los vientos y chorros lleven ese material crudo al espacio”.

Como indica el experto, el gas no desaparece solo: es expulsado por vientos y chorros que emergen del disco. El estudio identifica dos tipos principales. Por un lado, los vientos MHD (magnetohidrodinámicos), impulsados por campos magnéticos que atraviesan el disco y arrastran gas a lo largo de sus líneas.

Por otro, la fotoevaporación: radiación de alta energía de la propia estrella que calienta el gas hasta que este escapa. Ambos procesos no operan al mismo tiempo ni con la misma intensidad: su protagonismo cambia a medida que el sistema envejece.

Qué muestran los datos de 72 sistemas

Para rastrear esos vientos, el equipo analizó datos del instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument, instrumento de infrarrojo medio) a bordo del JWST, correspondientes a 72 discos protoplanetarios. Cada uno de esos sistemas representa una etapa distinta en la vida temprana de un sistema planetario, y juntos funcionan como fotogramas de una película que muestra cómo evoluciona la dispersión del disco.

El equipo buscó dos señales específicas de gas en fuga: el hidrógeno molecular, la molécula más común en los discos protoplanetarios, y el neón ionizado, un átomo que emite luz en el infrarrojo cuando pierde un electrón por efecto de la radiación estelar. Gracias a la sensibilidad y resolución del JWST, los investigadores lograron distinguir entre los amplios vientos moleculares de hidrógeno y los chorros y vientos marcados por el neón.

Los datos del estudio muestran señales de gas en fuga en 66 de los 72 discos. En 46 casos, el hidrógeno molecular escapó en forma de cono (estructuras que salen perpendiculares al disco, como dos embudos enfrentados), y en 40 se detectaron chorros de neón a alta velocidad. El estudio señala que todos los sistemas con chorros de neón tuvieron también algún viento asociado, de hidrógeno o de oxígeno.

La historia que cuentan esos datos es la de un cambio gradual. En los sistemas más jóvenes, donde la estrella todavía acumula mucho material, los chorros son intensos y los vientos mezclan gas molecular y atómico: ambos tienen su origen en campos magnéticos que empujan el gas hacia afuera. A medida que el sistema envejece y ese flujo de material disminuye, los chorros se apagan y los vientos pierden su componente molecular. En ese punto, la radiación de alta energía de la estrella (rayos X y ultravioleta) calienta el gas remanente y lo expulsa. Ese proceso se conoce como fotoevaporación.

Uma Gorti, científica del Instituto SETI y coautora del estudio, quien lleva décadas estudiando la evolución y dispersión de los discos protoplanetarios, señaló: “Ahora podemos ver, en una gran muestra de sistemas jóvenes, cómo cambian con el tiempo los mecanismos que remueven gas de los discos donde se forman los planetas. La dispersión del disco establece un reloj fundamental para la formación planetaria: una vez que el gas se va, la oportunidad de construir planetas ricos en gas esencialmente termina”.

Del laboratorio al futuro de la investigación

El estudio también confirmó una predicción que Ilaria Pascucci, profesora del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona y segunda autora del artículo, había hecho en 2020. En aquel trabajo, su equipo propuso que los vientos moleculares en sistemas jóvenes son tan densos que actúan como un escudo: bloquean los rayos X que emite la estrella y evitan que lleguen al disco. Con las nuevas observaciones del JWST, esa idea se confirmó por primera vez al detectar directamente el hidrógeno molecular.

El conjunto de resultados dibuja una secuencia ordenada. Al principio, cuando el sistema es joven y activo, hay chorros potentes y vientos cargados de moléculas calientes. Con el tiempo, a medida que menos material cae sobre la estrella, esos chorros se apagan y los vientos moleculares se enfrían y pierden fuerza. Al final, lo que queda son vientos mayormente atómicos y fotoevaporación. Según los autores, esa progresión afecta directamente cómo y dónde se forman los distintos tipos de planetas: los gigantes gaseosos, los rocosos y todo lo que hay en el medio.

Lo que el equipo busca ahora es medir con precisión cuánto gas se pierde en cada etapa y desde qué parte del disco sale ese material. Con esos datos será posible saber no solo cuánto tiempo tienen los planetas para formarse, sino también en qué zonas del disco hay más chances de que un planeta llegue a crecer antes de que su gas desaparezca.