Webb descubre que los discos de formación de planetas vivieron más tiempo en el Universo primitivo

Nuevos datos refutan las teorías actuales sobre la formación de planetas en los primeros días del Universo.

En 2003, el telescopio Hubble proporcionó evidencias de un planeta masivo alrededor de una estrella muy antigua, casi tan antigua como el Universo. Estas estrellas poseen solo pequeñas cantidades de elementos más pesados ​​que son los componentes básicos de los planetas. Esto implicaba que se formó algún planeta cuando nuestro Universo era muy joven y que esos planetas tuvieron tiempo de formarse y crecer dentro de sus discos primigenios, incluso más grandes que Júpiter. Pero ¿cómo? Esto era desconcertante.

Esta es una imagen del telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA de NGC 346, un cúmulo estelar masivo en la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia enana que es uno de los vecinos más cercanos de la Vía Láctea. Con su relativa falta de elementos más pesados ​​que el helio y el hidrógeno, el cúmulo NGC 346 sirve como un indicador cercano para estudiar entornos estelares con condiciones similares en el Universo temprano y distante. Diez pequeños círculos amarillos superpuestos en la imagen indican las posiciones de las diez estrellas estudiadas en este estudio.

Descripción de la imagen : El centro de la imagen contiene arcos de color naranja y rosa que forman una especie de barco. Un extremo de estos arcos apunta hacia la parte superior derecha de la imagen, mientras que el otro extremo apunta hacia la parte inferior izquierda. Otra columna de color naranja y rosa se expande desde el centro hacia la parte superior izquierda de la imagen. A la derecha de esta columna hay un gran cúmulo de estrellas blancas. Hay varias otras estrellas blancas y algunas galaxias de diferentes tamaños repartidas por toda la imagen. Diez pequeños círculos amarillos superpuestos en varios puntos de la imagen indican las posiciones de las diez estrellas estudiadas en este estudio.

Crédito:

NASA, ESA, CSA, STScI, OC Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC), M. Meixner (USRA)

Para responder a esta pregunta, los investigadores utilizaron el telescopio Webb para estudiar las estrellas de una galaxia cercana que, al igual que el universo primitivo, carece de grandes cantidades de elementos pesados. Descubrieron que no solo algunas estrellas de esa galaxia tienen discos de formación de planetas, sino que esos discos tienen una vida más larga que los que se observan alrededor de estrellas jóvenes en nuestra galaxia, la Vía Láctea.

“Con Webb, tenemos una confirmación realmente sólida de lo que vimos con el Hubble, y debemos repensar cómo modelamos la formación de planetas y la evolución temprana en el Universo joven”, dijo el líder del estudio Guido De Marchi del Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial de la ESA en Noordwijk, Países Bajos.

Un entorno diferente en los primeros tiempos

En el Universo temprano, las estrellas se formaron principalmente a partir de hidrógeno y helio, y muy pocos elementos más pesados, como carbono y hierro, que aparecieron más tarde a través de explosiones de supernovas.

“Los modelos actuales predicen que con tan pocos elementos más pesados, los discos alrededor de las estrellas tienen una vida corta, tan corta de hecho que los planetas no pueden crecer grandes ”, dijo la coinvestigadora del estudio de Webb Elena Sabbi, científica jefa del Observatorio Gemini en el NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias en Tucson . “Pero el Hubble vio esos planetas, así que ¿qué pasa si los modelos no eran correctos y los discos podrían vivir más tiempo?”

Para probar esta idea, los científicos enfocaron a Webb en la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia enana que es una de las vecinas más cercanas de la Vía Láctea. En particular, examinaron el cúmulo masivo de formación estelar NGC 346, que también tiene una relativa falta de elementos más pesados. El cúmulo sirvió como un indicador cercano para estudiar entornos estelares con condiciones similares en el Universo temprano y distante.

Las observaciones de NGC 346 realizadas con el Hubble a mediados de la década de 2000 revelaron que muchas estrellas de entre 20 y 30 millones de años de antigüedad todavía parecían tener discos de formación planetaria a su alrededor, lo que contradecía la creencia convencional de que dichos discos se disiparían después de 2 o 3 millones de años.

“Los hallazgos del Hubble fueron controvertidos, pues no solo contradecían las evidencias empíricas de nuestra galaxia, sino también los modelos actuales”, afirmó De Marchi. “Fue interesante, pero sin una manera de obtener espectros de esas estrellas, no podíamos determinar realmente si estábamos presenciando una acreción genuina y la presencia de discos, o simplemente algunos efectos artificiales”.

Ahora, gracias a la sensibilidad y resolución de Webb, los científicos tienen los primeros espectros de estrellas en formación similares al Sol y sus entornos inmediatos en una galaxia cercana.

“Vemos que estas estrellas están efectivamente rodeadas de discos y que aún están en proceso de engullir material, incluso a la edad relativamente avanzada de 20 o 30 millones de años”, dijo De Marchi. “Esto también implica que los planetas tienen más tiempo para formarse y crecer alrededor de estas estrellas que en las regiones de formación estelar cercanas en nuestra propia galaxia”.

Una nueva forma de pensar

Este hallazgo refuta las predicciones teóricas previas de que cuando hay muy pocos elementos más pesados ​​en el gas que rodea al disco, la estrella lo destruiría muy rápidamente. Por lo tanto, la vida del disco sería muy corta, incluso menos de un millón de años. Pero si un disco no permanece alrededor de la estrella el tiempo suficiente para que los granos de polvo se adhieran entre sí y se formen guijarros que se conviertan en el núcleo de un planeta, ¿cómo pueden formarse los planetas?

Los investigadores explicaron que podría haber dos mecanismos distintos, o incluso una combinación, para que los discos formadores de planetas persistan en entornos escasos en elementos más pesados.

En primer lugar, para poder dispersar el disco, la estrella aplica presión de radiación. Para que esta presión sea efectiva, los elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio tendrían que residir en el gas. Pero el cúmulo estelar masivo NGC 346 solo tiene alrededor del diez por ciento de los elementos más pesados ​​que están presentes en la composición química de nuestro Sol. Tal vez simplemente a una estrella de este cúmulo le toma más tiempo dispersar su disco.

La segunda posibilidad es que, para que se forme una estrella similar al Sol cuando hay pocos elementos más pesados, tendría que empezar a partir de una nube de gas más grande. Una nube de gas más grande producirá un disco más grande. Por lo tanto, hay más masa en el disco y, por lo tanto, tardaría más en expulsarlo, incluso si la presión de radiación funcionara de la misma manera.

“Al haber más materia alrededor de las estrellas, la acreción dura más tiempo”, dijo Sabbi. “Los discos tardan diez veces más en desaparecer. Esto tiene implicaciones para la forma en que se forma un planeta y el tipo de arquitectura de sistemas que se puede tener en estos diferentes entornos. Es muy emocionante”.

El artículo del equipo científico aparece en la edición del 16 de diciembre de 2024 de The Astrophysical Journal.

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Referencia:

Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low*

Guido De Marchi, Giovanna Giardino, Katia Biazzo, Nino Panagia, Elena Sabbi, Tracy L. Beck, Massimo Robberto, Peter Zeidler, Olivia C. Jones, Margaret Meixner Show full author list

Published 2024 December 16 • © 2024. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.The Astrophysical Journal, Volume 977, Number 2 Citation Guido De Marchi et al 2024 ApJ 977 214DOI 10.3847/1538-4357/ad7a63