Ilustración de un disco de formación planetaria alrededor de una estrella.(Crédito de la imagen: ANDRZEJ WOJCICKI/Science Photo Library/Getty Images)
La formación de planetas alrededor de estrellas de baja masa podría estar sufriendo el síndrome de Peter Pan. Mientras que las observaciones y los modelos anteriores sugerían que un disco de bloques de construcción planetaria debería estar «completamente desarrollado» -habiendo quemado todo su material de creación de mundos- en unos 10 millones de años, un nuevo niño en el bloque está demostrando que están equivocados, con un peso aproximado de 30 millones de años.
Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), los astrónomos han sondeado uno de los discos Peter Pan previamente identificados alrededor de una estrella de baja masa. Pero en lugar de ver un disco que había dejado de formar planetas, encontraron un disco rico en hidrocarburos, con características químicas nunca vistas en un disco tan antiguo. Esta prolongación de la vida útil podría tener importantes implicaciones para la formación de planetas, al menos en torno a estrellas de baja masa.
«Un disco de larga vida puede proporcionar más tiempo para la formación de núcleos masivos», dijo a universeexpedition.com por correo electrónico Feng Long, investigador del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona y primer autor del nuevo trabajo, publicado en The Astrophysical Journal Letters. «Así, los planetas gigantes podrían formarse antes de la disipación del disco».
¡No voy a crecer!
Tras la formación de una estrella, el polvo y el gas sobrantes se combinan para crear un depósito rico en materia llamado disco protoplanetario. Las colisiones de material, impulsadas y estabilizadas por el gas, desencadenan el proceso de formación planetaria. Las observaciones de discos realizadas en las dos últimas décadas han revelado que la mayoría de ellos se quedan sin gas en los primeros 10 millones de años, dejando tras de sí trozos de roca y hielo para terminar de construir mundos.
En 2020, los investigadores del proyecto científico ciudadano Disk Detective identificaron cuatro estrellas de baja masa que albergan lo que denominan «discos de Peter Pan».
«Las describimos como “que nunca crecen” porque han mantenido su disco primordial mucho tiempo después del plazo previsto para que los discos primordiales se hayan disipado», explicó por correo electrónico a universeexpedition.com Steven Silverberg, actual jefe de proyecto de Disk Detectives. Silverburg, que no forma parte de la nueva investigación, estudia estrellas jóvenes de baja masa y discos protoplanetarios.
Según Silverburg y sus colegas, los discos de Peter Pan tienen cuatro cualidades principales: giran alrededor de una estrella de baja masa, tienen una edad no inferior a 20 millones de años, brillan intensamente en el infrarrojo y su firma muestra signos de gas caliente. En la actualidad, sólo hay nueve discos que reúnan estas condiciones.
Pero las observaciones anteriores sólo establecieron la existencia de un disco con trazas de gas. Se necesitaban más observaciones para determinar si presentaban depósitos de material frío y estimar su contenido en polvo y gas.
Long y sus colegas dirigieron el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA hacia uno de estos discos en torno a la estrella WISE J044634.16-262756.1B, denominada J0446B. JWST fue capaz de asomarse al material polvoriento e identificar una gran cantidad de moléculas nunca antes vistas en un disco tan antiguo. Según Long, la mayor sensibilidad de JWST le permite detectar moléculas que podrían ser demasiado débiles para ser detectadas por instrumentos más antiguos, como el telescopio Spitzer de la NASA.
Los ingredientes agitados en el disco de J0446B dicen mucho a los astrónomos sobre lo que ocurre en el disco. La presencia de líneas atómicas de argón y neón sugiere que los rayos X suaves y los rayos ultravioleta extremos pueden ser los responsables de la ionización del disco. Esto podría ayudar a explicar por qué el disco ha durado tanto tiempo. La energía estelar que incide sobre el disco puede ionizar el gas de su interior, expulsándolo. La radiación estelar y la ionización también influyen directamente en la temperatura del disco, afectando al movimiento del polvo y el gas. Todo ello puede influir en la química del disco, impulsando la formación de moléculas más complejas.
¿Cómo determinan los científicos la edad de un disco? Todo depende de la estrella.
«Se sabe que medir la edad estelar es todo un reto», afirma Long. Afortunadamente, la mayoría de las estrellas no se forman solas, sino que permanecen dentro de un grupo. «Aunque la edad estelar absoluta es incierta, la diferencia de edad relativa puede ser robusta».
Los astrónomos examinan el cúmulo de estrellas que rodea a un individuo. Los cúmulos de estrellas se mueven juntos por la galaxia como una manada de gamberros, y pueden datarse como un grupo. Eso sugiere que se formaron más o menos al mismo tiempo.
A medida que los instrumentos se vuelven más precisos, los astrónomos son más capaces de acotar esas edades. La misión Gaia de la Agencia Espacial Europea ha proporcionado mediciones precisas de más de mil millones de estrellas a lo largo de sus 12 años de misión recientemente finalizados, lo que ha permitido a los investigadores afinar aún más esas edades, fijando la de J0446B y su disco en aproximadamente 33 millones de años.
Ilustración de una estrella rodeada por un disco protoplanetario. (Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech)
Para construir un planeta
En algún momento de la vida del disco protoplanetario, la roca, el hielo y el gas comienzan a fusionarse en núcleos planetarios. Los discos de larga duración podrían desempeñar un papel importante en su formación y conservación. Se cree que los planetas gigantes se forman en los primeros millones de años porque necesitan una gran cantidad de gas. Los planetas rocosos pueden tardar hasta decenas de millones de años en formarse después de que el gas se haya agotado, explicó Long.
Pero si el gas permanece durante más tiempo, eso puede dar más tiempo a que se formen planetas gigantes. Y la presencia de gas puede ayudarles a permanecer más tiempo, amortiguando las oscilaciones de órbita que, de otro modo, podrían dar lugar a mundos expulsados.
Silverberg se muestra prudente, señalando que las estrellas de baja masa suelen comenzar con menos gas que sus primas estelares de mayor tamaño. Aunque el gas permanezca más tiempo, es posible que no haya suficiente para formar gigantes masivas. Esto concuerda con las observaciones, en las que las estrellas de baja masa tienen pocos o ningún gigante.
La composición del disco también afecta a los tipos de planetas que pueden haberse formado. Los hidrocarburos eran particularmente densos en J0446B. Long cree que los discos ricos en carbono pueden ser una característica de los discos de larga vida alrededor de estrellas de baja masa. Los elevados niveles de carbono podrían persistir y afectar a las atmósferas planetarias. Los mundos rocosos que orbitan estas estrellas más pequeñas podrían tener atmósferas ricas en carbono, o incluso neblinas, como Titán, la luna de Saturno. Titán se considera uno de los mejores candidatos para que la vida evolucione en nuestro sistema solar.
«La elevada relación carbono-oxígeno puede contribuir a crear atmósferas ricas en metano y dar lugar a la formación de brumas», afirma Long.
Rarezas cósmicas
¿Qué tan comunes son estos discos de Peter Pan? No mucho. Hasta ahora sólo se han detectado nueve, ninguno examinado tan a fondo como J0446B. Aunque la mayoría viven en cúmulos estelares que permiten una datación fácil, la mayor precisión de Gaia está provocando ajustes en las edades de algunas estrellas.
La cuestión de por qué estas estrellas, en concreto, tienen discos tan longevos sigue siendo desconocida. Las estrellas de baja masa tienen menor radiación, lo que podría permitir a sus discos más tiempo para sobrevivir. Pero está claro que no todas las estrellas de baja masa forman discos de Peter Pan.
La escasez puede estar relacionada con lo que los instrumentos pueden encontrar hoy en día. «Parece plausible que la escasez de detecciones de discos de este tipo se deba más bien a los límites de la observación, y no a una escasez real de este tipo de sistemas», escribió Silverstone en su artículo de 2020.
Alternativamente, puede tratarse de algo específico de los propios discos.
«En el caso de estos discos específicos de larga vida, su disco también puede evolucionar de alguna manera más lentamente que sus homólogos sin disco alrededor de estrellas similares», dijo Long.
