Captan imágenes de los primeros cinturones de asteroides vistos más allá del Sistema Solar

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Esta imagen del disco de escombros polvorientos que rodea a la joven estrella Fomalhaut procede del Instrumento del Infrarrojo Medio (MIRI) de Webb. Muestra tres cinturones anidados que se extienden hasta 23.000 millones de kilómetros de la estrella. Los cinturones interiores, que nunca antes se habían visto, fueron revelados por Webb por primera vez. El Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA y el Observatorio Espacial Herschel de la ESA, así como el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), habían tomado anteriormente imágenes nítidas del cinturón más exterior. Sin embargo, ninguno de ellos encontró ninguna estructura en su interior. Lo más probable es que estos cinturones estén formados por las fuerzas gravitatorias producidas por planetas invisibles. [Descripción de la imagen: Un óvalo naranja se extiende desde la posición de la 1 hasta la de las 7 horas. Presenta un anillo exterior prominente, un hueco más oscuro, un anillo intermedio, un hueco oscuro más estrecho y un disco interior brillante. En el centro hay una mancha negra irregular que indica la falta de datos]. Crédito: NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (Universidad de Arizona)

Los astrónomos utilizaron el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA para obtener imágenes del polvo caliente que rodea una joven estrella cercana, Fomalhaut, con el fin de estudiar en luz infrarroja el primer cinturón de asteroides jamás visto fuera de nuestro Sistema Solar. Pero, para su sorpresa, descubrieron que las estructuras polvorientas son mucho más complejas que los cinturones de asteroides y polvo de Kuiper de nuestro Sistema Solar. En total, hay tres cinturones anidados que se extienden hasta 23.000 millones de kilómetros de la estrella, es decir, 150 veces la distancia de la Tierra al Sol. La escala del cinturón más externo es aproximadamente el doble de la del cinturón de Kuiper de nuestro Sistema Solar, formado por pequeños cuerpos y polvo frío más allá de Neptuno. Webb reveló por primera vez los cinturones interiores, que nunca antes se habían visto.

Los cinturones rodean la joven estrella caliente, que puede verse a simple vista como la estrella más brillante de la constelación austral Piscis Austrinus. Los cinturones polvorientos son los restos de colisiones de cuerpos mayores, análogos a asteroides y cometas, y se describen frecuentemente como "discos de escombros". "Yo describiría Fomalhaut como el arquetipo de los discos de escombros que se encuentran en otros lugares de nuestra galaxia, porque tiene componentes similares a los que tenemos en nuestro propio sistema planetario", afirma András Gáspár, de la Universidad de Arizona en Tucson y autor principal de un nuevo artículo que describe estos resultados. "Observando los patrones de estos anillos, podemos empezar a hacer un pequeño esbozo de cómo debería ser un sistema planetario, si realmente pudiéramos tomar una imagen lo suficientemente profunda como para ver los presuntos planetas".

El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA y el Observatorio Espacial Herschel de la ESA, así como el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), han tomado anteriormente imágenes nítidas del cinturón más exterior. Sin embargo, ninguno de ellos encontró ninguna estructura en su interior. Los cinturones interiores han sido resueltos por primera vez por Webb en luz infrarroja. "En lo que Webb realmente destaca es en que somos capaces de resolver físicamente el resplandor térmico del polvo en esas regiones interiores. Así, se pueden ver cinturones interiores que nunca antes habíamos podido ver", explica Schuyler Wolff, otro miembro del equipo de la Universidad de Arizona.

Hubble, ALMA y Webb están trabajando juntos para obtener una visión global de los discos de escombros alrededor de varias estrellas. "Con el Hubble y ALMA hemos podido obtener imágenes de un montón de análogos del Cinturón de Kuiper, y hemos aprendido mucho sobre cómo se forman y evolucionan los discos exteriores", explica Wolff. "Pero necesitamos que Webb nos permita obtener imágenes de una docena de cinturones de asteroides en otros lugares. Podemos aprender tanto sobre las regiones cálidas interiores de estos discos como el Hubble y ALMA nos enseñaron sobre las regiones exteriores más frías."

Lo más probable es que estos cinturones estén formados por las fuerzas gravitatorias producidas por planetas invisibles. Del mismo modo, dentro de nuestro Sistema Solar, Júpiter acorrala el cinturón de asteroides, el borde interior del cinturón de Kuiper está esculpido por Neptuno, y el borde exterior podría estar pastoreado por cuerpos aún no vistos más allá. A medida que Webb obtenga imágenes de más sistemas, iremos conociendo las configuraciones de sus planetas.

El anillo de polvo de Fomalhaut fue descubierto en 1983 en observaciones realizadas por el Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS) de la NASA. La existencia del anillo también se ha deducido a partir de observaciones anteriores y de mayor longitud de onda realizadas con telescopios submilimétricos en Maunakea (Hawai), el telescopio espacial Spitzer de la NASA y el Observatorio Submilimétrico de Caltech.

Una imagen etiquetada como James Webb Space Telescope: Fomalhaut. Un óvalo naranja se extiende desde las posiciones de las 7 en punto hasta la 1 en punto. Presenta un anillo exterior prominente, un hueco más oscuro, un anillo intermedio, un hueco oscuro más estrecho y un disco interior brillante. A la izquierda, una serie de etiquetas con líneas indican las características individuales. De dentro a fuera, son: disco interior, hueco interior, cinturón intermedio, hueco exterior, anillo exterior y halo. En el anillo exterior, aproximadamente a las 3 horas, un recuadro blanco rodea un grupo de material etiquetado como gran nube de polvo. Dos imágenes en la parte inferior derecha muestran el cúmulo en azul, utilizando datos a 23 micras, y en naranja, utilizando datos a 25,5 micras. Créditos: NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (Universidad de Arizona)

"Los cinturones alrededor de Fomalhaut son una especie de novela de misterio: ¿Dónde están los planetas?", afirma George Rieke, otro miembro del equipo y responsable científico en EE.UU. del Instrumento del Infrarrojo Medio (MIRI) del Webb, que realizó estas observaciones. "Creo que no es un salto muy grande decir que probablemente hay un sistema planetario realmente interesante alrededor de la estrella".

"Definitivamente no esperábamos la estructura más compleja con el segundo cinturón intermedio y luego el cinturón de asteroides más amplio", añadió Wolff. "Esa estructura es muy emocionante porque cada vez que un astrónomo ve un hueco y anillos en un disco, dice: '¡Podría haber un planeta incrustado dando forma a los anillos!".

Webb también ha captado lo que Gáspár denomina "la gran nube de polvo", que podría ser la prueba de una colisión en el anillo exterior entre dos cuerpos protoplanetarios. Se trata de un rasgo distinto del presunto planeta que el Hubble observó por primera vez en 2008 en el interior del anillo exterior. Las observaciones posteriores del Hubble mostraron que en 2014 el objeto había desaparecido. Una interpretación plausible es que este nuevo objeto, al igual que el anterior, sea una nube en expansión de partículas de polvo muy finas procedentes de dos cuerpos helados que chocaron entre sí.

La idea de un disco protoplanetario alrededor de una estrella se remonta a finales del siglo XVIII, cuando los astrónomos Immanuel Kant y Pierre-Simon Laplace desarrollaron por separado la teoría de que el Sol y los planetas se formaron a partir de una nube de gas en rotación que colapsó y se aplanó por efecto de la gravedad. Los discos de escombros se desarrollan más tarde, tras la formación de los planetas y la dispersión del gas primordial en los sistemas. Muestran que pequeños cuerpos como los asteroides colisionan de forma catastrófica y pulverizan sus superficies en enormes nubes de polvo y otros desechos. Las observaciones del polvo proporcionan pistas únicas sobre la estructura de un sistema exoplanetario, llegando hasta planetas del tamaño de la Tierra e incluso asteroides, que son demasiado pequeños para verlos individualmente.

"Este resultado tan emocionante pone de relieve el poder único de MIRI para estudiar las estructuras esculpidas por los planetas en las regiones más internas de los discos circunestelares", añade Gillian Wright, investigadora principal europea de MIRI y Directora del UK Astronomy Technology Centre (UKATC).

Fuentes, créditos y referencias:

NASA - András Gáspár et al, Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01962-6