Un equipo internacional de científicos ha logrado la medición más precisa de los gases que giran alrededor de estrellas jóvenes y cómo su masa cambia con el tiempo.

Este descubrimiento une muchas piezas de un rompecabezas que, según astrónomos de la Universidad de Wisconsin-Madison que lideraron la investigación, podría revelar qué tipos de planetas se forman -planetas rocosos similares a la Tierra, gigantes gaseosos como Júpiter o bolas de hielo con el molde de Neptuno- a medida que maduran los sistemas estelares.

Los investigadores utilizaron un conjunto de 66 radiotelescopios masivos, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ubicado a 4.800 metros de altura en la Cordillera de los Andes chilenos, para estudiar los discos de gas que giran en la gravedad de cada una de 30 estrellas jóvenes. Para saber qué tipo de planetas y cuántos puede haber en un sistema, el requisito fundamental es comprender la masa del disco que rodea a la estrella joven. A estos discos los llamamos discos protoplanetarios, afirma Ke Zhang, profesor de astronomía en la Universidad de Wisconsin-Madison y líder del Sondeo ALMA sobre la Evolución del Gas en Discos Protoplanetarios.

Las estrellas en las que se centraron los investigadores tenían entre menos de un millón de años y más de cinco millones. Puede parecer antiguo, pero aún son años incipientes para una estrella.

Nuestro sistema solar tiene unos 4.500 millones de años, afirma Zhang en un comunicado. "Por lo tanto, estos sistemas de tan solo unos pocos millones de años son en realidad solo bebés".

Es probable que las estrellas jóvenes comiencen aferrándose a discos protoplanetarios que, en masa, están compuestos por aproximadamente un 1 % de polvo y un 99 % de gas, principalmente hidrógeno y helio.

Leon Trapman, investigador postdoctoral de la Universidad de Wisconsin-Madison en el laboratorio de Zhang durante el estudio, dirigió el análisis de la radiación electromagnética emitida por los discos, comparando las características de varias moléculas de gas para obtener una medición sin precedentes de sus masas. Estudios previos se habían basado en una proporción fija de monóxido de carbono (una molécula poco abundante en los discos, pero fácil de detectar con un radiotelescopio) con respecto al hidrógeno, mucho más abundante.

El nuevo estudio empleó un método más preciso. Al rastrear la intensidad de la característica de las moléculas de un ion, N2H+, cuya cantidad aumenta a medida que disminuye el monóxido de carbono, Trapman y sus colaboradores pudieron explicar cómo cambia el contenido de gas de los discos durante sus primeros millones de años.

"Ahora podemos observar que la masa de gas disminuye muy rápidamente durante el primer millón de años de los discos protoplanetarios y que luego disminuye lentamente, mientras que la masa de polvo probablemente disminuye de forma constante con el tiempo", afirma Zhang en un comunicado. Así pues, si se quiere formar gigantes gaseosos como Júpiter, hay que trabajar en ello mientras aún hay más gas, y eso supone solo unos pocos millones de años.

El proceso de formación de planetas rocosos, como el nuestro, puede desarrollarse a un ritmo más lento a lo largo de cientos de millones de años, gracias a la persistencia del polvo del que están hechos.

Los nuevos hallazgos, que pronto se publicarán en un número especial de The Astrophysical Journal junto con una serie de otros resultados del proyecto, también sugieren que los gases perdidos de los discos de las estrellas jóvenes podrían ser "arrastrados" por una especie de viento de disco. Cuando las moléculas de gas cruzan las líneas del campo magnético en el espacio, pueden ser aceleradas fuera de su órbita y desprenderse de los discos. El trabajo está actualmente disponible en el servidor de preimpresiones de arXiv.

Ahora, Zhang y sus colaboradores se centrarán en medir la composición química de la región más interna de los discos protoplanetarios, donde se formarían planetas rocosos como la Tierra. El Telescopio Espacial James Webb (JWST) es más eficaz que el conjunto Atacama para rastrear materiales calientes en la región interna del disco, y los investigadores adquirieron recientemente datos del JWST sobre sus 30 discos objetivo.

"Con estos datos, podemos observar los materiales cercanos al disco, que es donde creemos que se forman los planetas rocosos", afirma Zhang. "Si observamos la composición química de materiales como el agua y la materia orgánica, podemos comprender cómo cambian a lo largo de la evolución de los discos".

Los pulsos resultantes pueden dar lugar a diversas aplicaciones potenciales, desde la óptica cuántica de rayos X hasta la visualización del movimiento de electrones en el interior de las moléculas. Los resultados se publican en la revista 'Nature'.

"Hemos observado fenómenos láser intensos en la capa interna de rayos X y hemos podido simular y calcular su evolución", asegura Uwe Bergmann, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison y autor principal del estudio. "Al calcular los pulsos de rayos X que se emiten, estos pueden ser increíblemente cortos, inferiores a 100 attosegundos".

Un attosegundo es una quintillonésima parte de un segundo y esta duración extremadamente corta de los pulsos es lo que podría impulsar nuevas y avanzadas aplicaciones LASER. El proceso de láser de rayos X en la capa interna es similar al del láser óptico, solo que con una longitud de onda mucho más corta. Un pulso inicial de fotones de rayos X excita los electrones de la capa interna de los átomos. Estos electrones excitados emiten fotones de diferentes longitudes de onda de rayos X al volver a su estado no excitado. Sus fotones emitidos a veces inciden en un átomo ya excitado, lo que provoca una avalancha de radiación de emisión estimulada (la SER del láser) en una dirección.

Debido a que los electrones de la capa interna se mantienen muy unidos, se requieren potentes pulsos de rayos X, como los de los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL), para excitar un número suficiente de ellos simultáneamente y generar la acción láser. A su vez, los fotones que emiten en este proceso también tienen longitudes de onda de rayos X. Sin embargo, los pulsos XFEL suelen ser "sucios", ya que cada pulso está compuesto por varios picos cortos e intensos en el tiempo, y un rango de picos con diferentes longitudes de onda, lo que limita algunas de sus aplicaciones.

"Simplemente no son pulsos limpios y hermosos (como los láseres visibles)", comenta Thomas Linker, investigador postdoctoral conjunto de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Instituto Stanford PULSE en SLAC, y autor principal de la publicación. "Pero es lo único que tenemos. Tenemos que vivir con ello".

En este estudio, los investigadores enfocaron con precisión pulsos XFEL sobre una muestra de cobre o manganeso. El pulso de entrada sigue siendo sucio, pero muy corto e increíblemente potente: el equivalente a concentrar toda la luz solar que llega a la Tierra en un milímetro cuadrado. Los fotones de rayos X que la muestra emite en la misma dirección que el pulso de entrada inciden en un instrumento que los dispersa por longitud de onda, de forma similar a como un prisma dispersa la luz visible en un arcoíris, y la refleja según su ángulo. Esta luz de rayos X dispersa es posteriormente analizada por un detector, que mide sus propiedades.

En primer lugar, los investigadores confirmaron que se estaba produciendo una emisión estimulada en su muestra midiendo una señal fuerte en el detector. De esta forma, observaron algo más sobre la luz emitida. En cuanto a su espectro luminoso, contenía todas las longitudes de onda esperadas. Sin embargo, espacialmente, el equipo detectó en ocasiones algunos puntos calientes en lugar de la señal uniforme esperada. Mediante una simulación 3D, Linker pudo demostrar qué sucedía para obtener estos resultados. Sus cálculos ilustraron que los rayos X emitidos experimentaban un proceso que creaba filamentos al atravesar las muestras.

"Esto es filamentación, un potente fenómeno láser que, en la ciencia óptica, se produce cuando el índice de refracción cambia debido a este campo extremadamente intenso", explica Linker. "Se producen fenómenos espaciales que dan lugar a los puntos calientes observados".

Cuando el equipo aumentó aún más la intensidad de su pulso de entrada, observaron otro resultado inesperado: en lugar de ver puntos calientes de una longitud de onda, observaron un ensanchamiento espectral y, en ocasiones, múltiples líneas espectrales. Ejecutaron la simulación con estos nuevos datos y se dieron cuenta de que este resultado solo podía explicarse por otro fenómeno láser llamado ciclo de Rabi, en el que el pulso es tan intenso que la muestra absorbe fotones cíclicamente y los emite por emisión estimulada. Utilizaron su simulación para representar gráficamente la intensidad del pulso emitido a lo largo del tiempo y descubrieron que sus pulsos de entrada sucios resultaban en pulsos de emisión estimulada extremadamente cortos, que en ocasiones duraban entre 60 y 100 attosegundos: los pulsos de rayos X duros más cortos observados hasta la fecha.

"Hemos generado pulsos de attosegundos de rayos X duros con este potente fenómeno láser", afirma Linker. "La escala de tiempo en la que se forman y rompen los enlaces químicos es la escala de femtosegundos (1000 veces más larga que la de attosegundos). Pero si se desea observar la dinámica de los electrones, es decir, cómo se mueven dentro de sus orbitales, esa es la escala de attosegundos".

Los XFEL solo existen desde hace unos 15 años, por lo que los científicos aún están aprendiendo sobre ellos y cómo aplicarlos. Este estudio no es el primero en "limpiar" pulsos de rayos X duros, pero sí es el primero en lograr pulsos emitidos en esta escala de tiempo y en mostrar evidencia de un fenómeno láser intenso.

"Existen muchas tecnologías y fenómenos no lineales que la comunidad láser utiliza actualmente, pero muy pocos se han atrevido a probarse con rayos X duros", asegura Bergmann. "Los rayos X duros son muy potentes: tienen longitudes de onda de ángstroms que proporcionan una resolución espacial atómica y son sensibles a diferentes elementos. Este trabajo es un paso adelante para impulsar el apasionante campo de la ciencia láser real hacia este potente régimen de rayos X duros".

Un dinosaurio recién descrito por fósiles descubiertos en 2013 apunta a la presencia de estos animales hoy extintos en el hemisferio norte millones de años antes de lo que se sabía anteriormente.

¿Cómo y cuándo surgieron los dinosaurios y se extendieron por el planeta hace más de 200 millones de años? Esta pregunta ha sido durante décadas una fuente de debate entre los paleontólogos que se enfrentan a registros fósiles fragmentados. La opinión dominante ha sostenido que los reptiles surgieron en la parte sur del antiguo supercontinente Pangea llamado Gondwana millones de años antes de extenderse a la mitad norte llamada Laurasia. La nueva investigación desafía esta narrativa.

Un equipo de la Universidad de Wisconsin-Madison ha estado analizando los restos fósiles desde que fueron descubiertos por primera vez en 2013 en el actual Wyoming, un área que estaba cerca del ecuador en Laurasia. La criatura, llamada Ahvaytum bahndooiveche, es ahora el dinosaurio laurasiático más antiguo conocido y, con fósiles que se estima que tienen alrededor de 230 millones de años, es comparable en edad a los primeros dinosaurios de Gondwana conocidos.

Los científicos de la UW-Madison y sus socios de investigación detallan su descubrimiento el 8 de enero de 2025 en el Zoological Journal of the Linnean Society.

"Con estos fósiles, tenemos el dinosaurio ecuatorial más antiguo del mundo; también es el dinosaurio más antiguo de América del Norte", dice en un comunicado Dave Lovelace, un científico investigador del Museo de Geología de la Universidad de Wisconsin que codirigió el trabajo con el estudiante de posgrado Aaron Kufner.

Descubiertos en una capa de roca conocida como la Formación Popo Agie, Lovelace y sus colegas tardaron años de trabajo cuidadoso en analizar los fósiles, establecerlos como una nueva especie de dinosaurio y determinar su edad estimada.

Aunque el equipo no tiene un ejemplar completo (lo que es extremadamente raro en el caso de los primeros dinosaurios), sí encontraron suficientes fósiles, en particular partes de las patas de la especie, para identificar positivamente al Ahvaytum bahndooiveche como un dinosaurio, y probablemente como un pariente muy temprano de los saurópodos. Los saurópodos eran un grupo de dinosaurios herbívoros que incluían algunas especies famosas por su tamaño gigantesco, como las del grupo de los titanosaurios, cuyo nombre es muy apropiado. El Ahvaytum bahndooiveche, un pariente lejano, vivió millones de años antes y era más pequeño, mucho más pequeño.

DEL TAMAÑO DE UN POLLO

"Básicamente era del tamaño de un pollo, pero con una cola muy larga", dice Lovelace. "Pensamos en los dinosaurios como estos colosos gigantes, pero no empezaron así".

De hecho, el espécimen tipo de Ahvaytum bahndooiveche, que era adulto pero podría haber sido un poco más grande en su edad máxima, medía un poco más de un pie de alto y alrededor de tres pies de largo desde la cabeza hasta la cola. Aunque los científicos no han encontrado material de su cráneo, que podría ayudar a esclarecer lo que comía, otros dinosaurios primitivos de la línea de los saurópodos estrechamente relacionados comían carne y probablemente eran omnívoros.

Los investigadores encontraron los pocos huesos conocidos de Ahvaytum en una capa de roca justo por encima de los de un anfibio recién descrito que también descubrieron. La evidencia sugiere que Ahvaytum bahndooiveche vivió en Laurasia durante o poco después de un período de inmenso cambio climático conocido como el episodio pluvial del Carniense que anteriormente se había relacionado con un período temprano de diversificación de las especies de dinosaurios.

El clima durante ese período, que duró desde hace unos 234 a 232 millones de años, era mucho más húmedo que antes, transformando grandes y calurosas extensiones de desierto en hábitats más hospitalarios para los primeros dinosaurios.

Lovelace y sus colegas realizaron una datación radioisotópica de alta precisión de las rocas en la formación que contenía los fósiles de Ahvaytum, lo que reveló que el dinosaurio estuvo presente en el hemisferio norte hace unos 230 millones de años. Los investigadores también encontraron una huella similar a la de un dinosaurio temprano en rocas un poco más antiguas, lo que demuestra que los dinosaurios o sus primos ya estaban en la región unos pocos millones de años antes de Ahvaytum.

"Estamos completando parte de esta historia y demostrando que las ideas que hemos mantenido durante tanto tiempo (ideas que estaban respaldadas por la evidencia fragmentada que teníamos) no eran del todo correctas", dice Lovelace. "Ahora tenemos esta pieza de evidencia que muestra que los dinosaurios estuvieron aquí en el hemisferio norte mucho antes de lo que pensábamos".