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Los sistemas planetarios tardan millones de años en formarse, lo que supone todo un reto para los astrónomos. ¿Cómo identificar en qué fase se encuentran o cómo clasificarlos? Lo mejor es observar muchos ejemplos y seguir ampliando los datos que tenemos, y el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA podrá proporcionar un inventario en infrarrojos. Los investigadores que utilicen el Webb observarán 17 sistemas planetarios en formación activa. Estos sistemas en particular fueron estudiados previamente por el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), el mayor radiotelescopio del mundo, para el proyecto Disk Substructures at High Angular Resolution (DSHARP).
Webb medirá espectros que pueden revelar moléculas en las regiones interiores de estos discos protoplanetarios, complementando los detalles que ALMA ha proporcionado sobre las regiones exteriores de los discos. En estas regiones interiores es donde pueden empezar a formarse planetas rocosos similares a la Tierra, lo que constituye una de las razones por las que queremos saber más sobre las moléculas que existen allí.
Un equipo de investigación dirigido por Colette Salyk, del Vassar College de Poughkeepsie (Nueva York), y Klaus Pontoppidan, del Space Telescope Science Institute de Baltimore (Maryland), busca los detalles que se encuentran en la luz infrarroja. "Una vez que se pase a la luz infrarroja, concretamente al rango de Webb en la luz infrarroja media, seremos sensibles a las moléculas más abundantes que transportan elementos comunes", explicó Pontoppidan.
Los investigadores podrán evaluar las cantidades de agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y amoníaco -entre otras muchas moléculas- en cada disco. Y lo que es más importante, podrán contar las moléculas que contienen elementos esenciales para la vida tal y como la conocemos, como el oxígeno, el carbono y el nitrógeno. ¿Cómo? Con la espectroscopia: Webb captará toda la luz emitida en el centro de cada disco protoplanetario como un espectro, que produce un patrón detallado de colores basado en las longitudes de onda de la luz emitida. Dado que cada molécula imprime un patrón único en el espectro, los investigadores pueden identificar qué moléculas hay y construir inventarios de los contenidos dentro de cada disco protoplanetario. La intensidad de estos patrones también aporta información sobre la temperatura y la cantidad de cada molécula.
"Los datos de Webb también nos ayudarán a identificar dónde se encuentran las moléculas dentro del sistema general", dijo Salyk. "Si están calientes, eso implica que están más cerca de la estrella. Si son más frías, pueden estar más lejos". Esta información espacial ayudará a informar a los modelos que los científicos construyan mientras continúan examinando los datos de este programa.
Saber qué hay en las regiones interiores de los discos tiene también otros beneficios. Por ejemplo, ¿ha llegado el agua a esta zona, en la que pueden estar formándose planetas habitables? "Una de las cosas más sorprendentes de los planetas es que, si se cambia un poco la química, se obtienen mundos muy diferentes", continuó Salyk. "Por eso nos interesa la química. Intentamos averiguar cómo los materiales que se encuentran inicialmente en un sistema pueden acabar siendo diferentes tipos de planetas".
Si esto parece una empresa importante, no se preocupe: será un esfuerzo comunitario. Se trata de un Programa del Tesoro de Webb, lo que significa que los datos se liberan tan pronto como se toman para todos los astrónomos, lo que permite a todos extraer inmediatamente los datos, comenzar a evaluar qué hay en cada disco y compartir sus hallazgos.
"Los datos infrarrojos de Webb se estudiarán intensamente", añade el coinvestigador Ke Zhang, de la Universidad de Wisconsin-Madison. "Queremos que toda la comunidad investigadora pueda acercarse a los datos desde distintos ángulos".
¿A qué se debe este examen minucioso?
Demos un paso atrás, para ver el bosque por los árboles. Imagina que estás en un barco de investigación frente a la costa de un terreno lejano. Esta es la vista más amplia. Si aterriza y desembarca, podría empezar a contar cuántos árboles hay y cuántos de cada especie. Podrías empezar a identificar insectos y pájaros concretos y relacionar los sonidos que has oído en alta mar con las llamadas que oyes bajo las copas de los árboles. Esta catalogación detallada es muy similar a lo que Webb permitirá hacer a los investigadores, pero cambiando árboles y animales por elementos químicos.
Los discos protoplanetarios de este programa son muy brillantes y están relativamente cerca de la Tierra, lo que los convierte en objetivos excelentes para su estudio. Por eso 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 se trata de un campo de investigación relativamente nuevo. Hay mucho que Webb puede añadir a lo que sabemos.
El instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del telescopio ofrece muchas ventajas. La ubicación de Webb en el espacio le permite captar toda la gama de luz del infrarrojo medio (la atmósfera terrestre la filtra). Además, sus datos tendrán una alta resolución, lo que revelará muchas más líneas y ondulaciones en los espectros que los investigadores podrán utilizar para identificar moléculas específicas.
Los investigadores también fueron selectivos con los tipos de estrellas elegidas para estas observaciones. Esta muestra incluye estrellas que tienen entre la mitad y el doble de la masa del Sol. ¿Por qué? El objetivo es ayudar a los investigadores a aprender más sobre los sistemas que pueden ser como el nuestro cuando se formó. "Con esta muestra, podemos empezar a determinar si hay características comunes entre las propiedades de los discos y su química interna", continuó Zhang. "Con el tiempo, queremos ser capaces de predecir qué tipos de sistemas tienen más probabilidades de generar planetas habitables".
Empezando a responder a las grandes preguntas
Este programa también puede ayudar a los investigadores a empezar 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 algunas de esas respuestas haciendo inventarios con el Webb", explicó Pontoppidan. "Evidentemente, es un trabajo tremendo el que hay que hacer -y no se puede hacer sólo con estos datos-, pero creo que vamos a hacer grandes progresos".
Pensando aún más en los espectros increíblemente ricos que proporcionará Webb, Salyk añadió: "Espero que veamos cosas que nos sorprendan y que empecemos a estudiar esos descubrimientos serendípicos".
Estas investigaciones se llevarán a cabo en el marco de los programas de Observadores Generales (GO) de Webb, que se seleccionan de forma competitiva mediante un sistema de revisión de doble anonimato, el mismo sistema que se utiliza para asignar el tiempo en el telescopio espacial Hubble.
Fuentes, créditos y referencias:
Imágen: The James Webb Space Telescope’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will deliver incredibly rich information about the molecules that are present in the inner disks of still-forming planetary systems (known as protoplanetary disks). This simulated spectrum, which produces a detailed pattern of colors based on the wavelengths of light emitted, helps researchers take inventories of each molecule. This spectrum shows how much of the gasses like methane, ammonia, and carbon dioxide exist. Most of the unidentified features are water. Since spectra are teeming with details, they will help astronomers draw conclusions about the system’s contents as planets form. Credit: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI)