El telescopio James Webb de la NASA explorará la formación de sistemas planetarios

Los sistemas planetarios tardan millones de años en formarse, lo que presenta un gran desafío para los astrónomos. ¿Cómo se puede identificar en qué etapa se encuentran o cómo categorizarlos? El mejor enfoque es estudiar muchos casos y seguir sumándolos a los datos que tenemos. El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA podrá proporcionar un inventario en infrarrojos. Los investigadores que utilizarán el Telescopio James Webb observarán 17 sistemas planetarios en formación activa. Estos sistemas en particular han sido evaluados previamente por Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), el radiotelescopio más grande del mundo, del Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP).

Webb medirá los espectros que pueden revelar qué tipo de moléculas se encuentran en las regiones internas de estos discos protoplanetarios, complementando los detalles que ALMA ha proporcionado sobre las regiones externas de los discos. Estas regiones internas son donde pueden comenzar a formarse planetas rocosos similares a la Tierra, que es una de las razones por las que queremos saber más sobre qué moléculas existen allí.

Un equipo de investigación dirigido por Colette Salyk, del Vassar College en Poughkeepsie, Nueva York, y Klaus Pontoppidan, del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, busca detalles encontrados en luz infrarroja. “Una vez que cambie a luz infrarroja, específicamente al rango de Webb en luz infrarroja media, tendremos la capacidad de detectar las moléculas más abundantes que transportan elementos comunes”, explicó Pontoppidan.

Los investigadores podrán evaluar en cada disco las cantidades de agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y amoníaco, entre muchas otras moléculas. Podrán conocer qué moléculas contienen elementos esenciales para la vida tal como la conocemos, incluidos el oxígeno, el carbono y el nitrógeno. ¿Cómo? Con espectroscopía: Webb capturará toda la luz emitida en el centro de cada disco protoplanetario en un espectro que produce un patrón detallado de colores, basado en las longitudes de onda de la luz emitida. Dado que cada molécula muestra un patrón único en el espectro, los investigadores pueden identificar qué moléculas están allí y realizar inventarios del contenido dentro de cada disco protoplanetario. Estos patrones también proporcionarán información sobre la temperatura y la cantidad existente de cada molécula.

“Los datos de Webb también nos ayudarán a identificar dónde están las moléculas dentro del sistema general”, dijo Salyk. “Si están calientes, eso implica que están más cerca de la estrella. Si son más fríos, es posible que estén más lejos”. Esta información espacial ayudará a conformar los modelos que los científicos construyen a medida que continúan examinando datos.

Saber qué hay en las regiones internas de los discos también tiene otros beneficios. ¿Ha llegado el agua, por ejemplo, a esta zona, donde se pueden estar formando planetas habitables? “Una de las cosas que son realmente asombrosas de los planetas es que si cambia la química solo un poco, puedes obtener mundos absolutamente diferentes”, continuó Salyk. “Por eso estamos interesados ​​en la química. Estamos tratando de averiguar cómo los materiales que se encontraron inicialmente en un sistema planetario pueden evolucionar creando diferentes tipos de planetas”.

Este es un Programa de Tesorería de Webb, lo que significa que los datos se publicarán tan pronto como los obtengan los astrónomos, lo que permitirá que todos tengan los datos de inmediato, comiencen a evaluar qué hay en cada disco y compartan sus hallazgos. “Los datos infrarrojos de Webb se estudiarán intensamente”, añadió el co-investigador Ke Zhang, de la Universidad de Wisconsin-Madison. “Queremos que toda la comunidad de investigadores pueda abordar los datos desde diferentes perscpectivas”.

El instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del telescopio espacial James Webb proporcionará información increíblemente rica sobre las moléculas que están presentes en los discos internos de los sistemas planetarios en formación (conocidos como discos protoplanetarios). Este espectro simulado, que produce un patrón detallado de colores basado en las longitudes de onda de la luz emitida, ayuda a los investigadores a realizar inventarios de cada molécula. Este espectro muestra la cantidad de gases como el metano, el amoníaco y el dióxido de carbono que existen. La mayoría de las características no identificadas son agua. Dado que los espectros están repletos de detalles, ayudarán a los astrónomos a sacar conclusiones sobre el contenido del sistema a medida que se forman los planetas.
Créditos: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI).
¿Por qué ese examen de cerca?

Retrocedamos para ver el bosque antes que el árbol. Imaginemos que estamos en un barco de investigación en frente a la costa de un terreno que está a mucha distancia. Es la manera de obtener la visión más amplia. Si tuviéramos que desembarcar, podríamos comenzar a contar cuántos árboles hay y clasificar cuántos de cada especie de árbol. Podríamos comenzar a identificar insectos y aves específicas y hacer coincidir los sonidos que escuchamos en alta mar con los sonidos que se escuchan debajo de las copas de los árboles. Esta catalogación detallada es muy similar a lo que Webb permitirá hacer a los investigadores, pero cambia árboles y animales por elementos químicos.

Los discos protoplanetarios de este programa son muy brillantes y relativamente cercanos a la Tierra, lo que los convierte en excelentes objetos de estudio. Esa es la razón por la que fueron estudiados por ALMA. También es la razón por la que los investigadores los estudiaron con el telescopio espacial Spitzer de la NASA. Estos objetos solo se han estudiado en profundidad desde 2003, por lo que este es un campo de investigación relativamente nuevo. Webb puede aportar mucho a lo que sabemos.

El instrumento de infrarrojo medio del telescopio (MIRI) ofrece muchas ventajas. La ubicación de Webb en el espacio implicará que se pueda capturar todo el rango de luz infrarroja media (la atmósfera de la Tierra la filtra). Además, sus datos tendrán alta resolución, lo que revelará muchas más líneas y ondulaciones en los espectros, que los investigadores podrán usar para descubrir moléculas específicas. Los investigadores también fueron muy selectivos a la hora de elegir el tipo de estrellas para estas observaciones. La muestra incluye estrellas que tienen desde aproximadamente la mitad de la masa del Sol, hasta más o menos el doble de la masa del Sol. ¿Por qué? El objetivo es ayudar a los investigadores a aprender más sobre sistemas que pueden ser como el nuestro cuando se formó. “Con esta muestra, podemos comenzar a determinar si hay características comunes entre las propiedades de los discos y su química interna”, continuó Zhang. “Con el tiempo, queremos poder predecir qué tipos de sistemas tienen más probabilidades de generar planetas habitables”.

Empezar a responder preguntas importantes

Este programa también puede ayudar a los investigadores a comenzar a responder algunas preguntas clásicas: ¿las formas que adoptan algunos de los elementos más abundantes que se encuentran en los discos protoplanetarios, como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, son “heredadas” de las nubes interestelares que los formaron? ¿O la mezcla precisa de sustancias químicas cambia con el tiempo? “Creemos que podemos llegar a responder algunas de esas preguntas haciendo inventarios con Webb”, explicó Pontoppidan. “Obviamente, es una enorme cantidad de trabajo por hacer, y no se puede hacer solo con esos datos, pero creo que vamos a lograr un gran progreso”.

Pensando aún más ampliamente en el espectro increíblemente rico que proporcionará Webb, Salyk agregó: “Espero que veamos cosas que nos sorprendan y luego comencemos a estudiar esos descubrimientos fortuitos”.

Esta investigación se llevará a cabo como parte de los programas Webb General Observer (GO), que se seleccionan mediante 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 será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance (se espera que sea a finales de 2021). Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus colaboradores, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.