El futuro Telescopio Espacial James Webb de la NASA estudiará un llamativo sistema planetario

Los investigadores utilizarán el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA para estudiar Beta Pictoris, un intrigante sistema planetario joven que tiene al menos dos planetas, un revoltijo de cuerpos rocosos más pequeños y un disco polvoriento.

Entre sus objetivos se incluye obtener una mejor comprensión de las estructuras y propiedades del polvo para interpretar mejor lo que está sucediendo en el sistema. Dado que está a solo 63 años luz de distancia y está lleno de polvo, parece brillante en luz infrarroja, y eso significa que Webb tendrá mucha información que recopilar.

Beta Pictoris es el objetivo de varios programas de observación planeados con Webb, incluido uno dirigido por Chris Stark del Goddard Space Flight Center de la NASA y dos dirigidos por Christine Chen del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland. El programa de Stark tomará imágenes del sistema bloqueando la luz de la estrella para recopilar una gran cantidad de nuevos detalles sobre el polvo. Los programas de Chen recopilarán espectros, que desgranarán la luz para revelar qué elementos están presentes. Los tres programas de observación revelarán detalles importantes a lo que se sabe por el momento de este sistema cercano.

Primero, revisemos lo que sabemos

Desde la década de 1980, Beta Pictoris se ha estudiado en radio, infrarrojos y luz visible. La estrella en sí es dos veces más masiva que nuestro Sol y bastante más caliente, pero también significativamente más joven. (El Sol tiene 4.600 millones de años, Beta Pictoris tiene aproximadamente 20 millones de años). En esta etapa, la estrella es estable y alberga al menos dos planetas, ambos mucho más masivos que Júpiter. Pero este sistema planetario es notable porque es donde se descubrieron los primeros exocometas (cometas en otros sistemas). ¡Hay muchos cuerpos dando vueltas alrededor de este sistema!

Como nuestro propio sistema solar, Beta Pictoris tiene un disco de escombros, que incluye cometas, asteroides, rocas de varios tamaños (y mucho polvo en todas las formas) que orbitan la estrella.

Un disco de escombros es mucho más joven y puede ser más masivo que el Cinturón de Kuiper de nuestro sistema solar, que comienza cerca de la órbita de Neptuno y es donde se originan muchos cometas de período corto.

En este anillo exterior de polvo y escombros está ocurriendo mucha actividad. Los guijarros y las rocas podrían chocar y romperse en pedazos mucho más pequeños, emanando mucho polvo.

A medida que se forma un sistema solar, el disco es inicialmente brillante y lleno de polvo. En los primeros 10 millones de años más o menos, aparecen espacios dentro del disco a medida que los planetas se van formando y despejando esas áreas. Con el tiempo, este disco de escombros se afina debido a las interacciones gravitacionales con los planetas que barren lentamente el polvo. La presión constante de la luz de las estrellas y los vientos estelares también eliminan el polvo. Después de aproximadamente 10 millones de años, solo queda un anillo delgado en los confines más externos del sistema, lo que se conoce como disco de escombros.
Créditos: NASA/JPL-Caltech/R. Herido (SSC/Caltech).
Estudiando este sistema planetario

El equipo de Stark utilizará los coronógrafos de Webb, que bloquean la luz de la estrella, para observar las débiles porciones del disco de escombros que rodean todo el sistema. “Sabemos que hay dos planetas masivos alrededor de Beta Pictoris, y más allá hay un cinturón de pequeños cuerpos que chocan y se fragmentan”, explicó Stark. “¿Pero qué hay en el medio? ¿Cuánto se parece este sistema a nuestro sistema solar? ¿Puede el polvo y el hielo de agua del cinturón exterior llegar  a la región interior del sistema? Esos son detalles que podremos descubrir con Webb “.

Las imágenes de Webb permitirán a los investigadores estudiar cómo los pequeños granos de polvo interactúan con los planetas que están presentes en ese sistema. Además, Webb detallará todo el polvo fino que sale de estos objetos, lo que permitirá descubrir la presencia de cuerpos rocosos más grandes y cuál es su distribución en el sistema. También evaluarán cuidadosamente cómo el polvo dispersa la luz y la reabsorbe y cómo luego vuelve a emitir luz cuando hace calor, con lo que podrán investigar de qué está hecho el polvo. Al catalogar los detalles de Beta Pictoris, los investigadores también evaluarán la similitud de este sistema con nuestro sistema solar, ayudándonos a comprender si los contenidos de nuestro sistema solar son únicos.

Isabel Rebollido, miembro del equipo e investigadora postdoctoral de STScI, ya está construyendo modelos complejos de Beta Pictoris. El primer modelo combina datos existentes sobre el sistema de radio, infrarrojo cercano, infrarrojo lejano y visible, de observatorios espaciales y terrestres. Con el tiempo, sumará las imágenes de Webb para realizar un análisis más completo.

El segundo modelo contará solo con los datos de Webb y será el primero que exploren. “¿Será simétrica la luz que Webb observe?” Preguntó Rebollido. “¿O habrá ‘protuberancias’ de luz porque hay una acumulación de polvo? Webb es mucho más sensible que cualquier otro telescopio espacial y nos dará la oportunidad de buscar pruebas, así como vapor de agua donde sabemos que hay gas”.

La función decodificadora del polvo 

Si imaginamos el disco de escombros de Beta Pictoris como una carretera elíptica muy transitada, donde no hay muchas reglas de tráfico, las colisiones entre cometas y rocas más grandes pueden producir partículas finas de polvo que posteriormente se dispersen por todo el sistema.

“Después de los planetas, se cree que la mayor parte de la masa en el sistema Beta Pictoris reside en planetesimales más pequeños que no podemos observar directamente”, explicó Chen. “Afortunadamente, podemos observar el polvo que queda cuando los planetesimales chocan”.

Este polvo es donde el equipo de Chen centrará su investigación. ¿Cómo son los granos de polvo más pequeños? ¿Son compactos o esponjosos? ¿De qué están hechos?

“Analizaremos los espectros con Webb para mapear las ubicaciones del polvo y el gas, y averiguaremos cuáles son sus composiciones en detalle”, explicó Chen. “Los granos de polvo son ‘huellas dactilares’ de planetesimales que no podemos ver directamente, que pueden decirnos de qué están hechos estos planetesimales y cómo se formaron”. Por ejemplo, ¿son los planetesimales ricos en hielo como los cometas de nuestro sistema solar? ¿Hay señales de colisiones de alta velocidad entre planetesimales rocosos? Analizar claramente si los granos en una región son más sólidos o esponjosos que en otra ayudará a entender lo que le está sucediendo al polvo y a trazar las sutiles diferencias del polvo en cada región.

“Espero analizar los datos de Webb, ya que proporcionarán detalles exquisitos”, agregó Cicero X. Lu, miembro del equipo y de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. “Webb nos permitirá identificar más elementos y señalar con precisión sus estructuras”.

En particular, hay una nube de monóxido de carbono en el borde del disco que interesa mucho a estos investigadores. Es asimétrica, tiene un lado irregular y lleno de manchas. Una de las teorías mantiene que las colisiones liberaron polvo y gas de cuerpos helados más grandes que formaron esta nube. El estudio de los espectros de Webb ayudará a construir escenarios que clarifiquen su origen.

El alcance de los infrarrojos

Estos programas de investigación son posibles porque Webb ha sido diseñado para proporcionar detalles nítidos y de alta resolución en luz infrarroja. El observatorio se especializará en captar luz infrarroja, que viaja a través del gas y el polvo, tanto con imágenes como con espectros. Webb tendrá otra ventaja: su ubicación en el espacio. Webb no se verá obstaculizado por la atmósfera de la Tierra, que filtra algunos tipos de luz, incluidas varias bandas de longitud de onda infrarroja. Este observatorio permitirá a los investigadores por primera vez recopilar una gama más completa de luz infrarroja y datos sobre Beta Pictoris.

Estos estudios se llevarán a cabo como parte de los programas de Webb: Guaranteed Time Observations (GTO) y General Observers (GO). Los programas GTO están dirigidos por científicos que ayudaron a desarrollar los componentes clave de hardware y software, o el conocimiento técnico e interdisciplinario para el observatorio. Los programas GO se seleccionan utilizando un sistema de revisión anónimo dual, el mismo sistema que se utiliza para asignar tiempo en el Telescopio Espacial Hubble.

El telescopio espacial James Webb se lanzará este año 2021 y será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, observará en mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en el. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus colaboradores, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

Versión en inglés de esta noticia.

Edición: R. Castro.