Puede que Júpiter sea el rey de los planetas de nuestro Sistema Solar, pero en otros sistemas estelares de la galaxia, planetas aún más grandes orbitan a miles de millones de kilómetros de sus estrellas, en lugares donde las teorías de formación tradicionales luchan por explicarlos.
En un nuevo estudio, los investigadores examinan tres gigantes gaseosos masivos a unos 130 años luz de distancia, utilizando su química atmosférica para investigar cómo se forman planetas tan enormes.
Cuatro gigantes gaseosos conocidos orbitan HR 8799, una estrella de tipo F en la constelación de Pegaso. Todos son colosales, con una masa de entre 5 y 10 veces la de Júpiter.
Utilizando espectros de resolución moderada del instrumento NIRSpec de JWST, los investigadores realizaron un análisis detallado de la composición atmosférica de los tres planetas más internos del sistema en longitudes de onda de entre 3 y 5 micrones.
Los gigantes gaseosos pueden aproximarse al rango de masas de las enanas marrones (objetos que fusionan brevemente deuterio), pero los astrónomos creen que ambas se forman de maneras fundamentalmente diferentes.
Las enanas marrones se forman como estrellas, con un colapso gravitacional de arriba hacia abajo, pero carecen de masa para sostener la fusión del hidrógeno.
La formación de planetas se atribuye en gran medida a la acreción de núcleos, un proceso de abajo hacia arriba en el que los núcleos crecen lentamente a medida que la materia sólida se acumula en un disco protoplanetario. Algunos núcleos grandes también pueden recolectar gases sobrantes de su nebulosa ancestral y eventualmente convertirse en gigantes gaseosos.
Ésa es la historia de fondo predominante para Júpiter y Saturno, pero ¿podría funcionar en un sistema como HR 8799, donde gigantes más pesados orbitan a mayores distancias?
Esas distancias oscilan entre 15 y 70 unidades astronómicas (entre 2.000 y 10.000 millones de kilómetros), lo que significa que los planetas están aproximadamente entre 15 y 70 veces más lejos de su estrella que la Tierra del Sol.
A esa escala, algunos expertos se preguntan si planetas tan masivos y remotos podrían formarse mediante acreción de núcleos. Se espera que la acreción avance más lentamente tan lejos de la estrella, dejando potencialmente muy poco tiempo para que los planetas recopilen suficiente material antes de que el disco se disipe. Una solución es que esos mundos podrían surgir de un colapso gravitacional, similar a las enanas marrones.
Para probar esa idea, los investigadores utilizaron datos JWST de los planetas de HR 8799 para buscar azufre, un elemento refractario que se encuentra en gran medida encerrado en granos sólidos en los discos protoplanetarios. Por tanto, la detección de azufre en la atmósfera de un planeta indicaría la acumulación de material sólido durante la formación.
“Con su sensibilidad sin precedentes, JWST está permitiendo el estudio más detallado de las atmósferas de estos planetas, dándonos pistas sobre sus vías de formación”, dice el coautor Jean-Baptiste Ruffio, astrónomo de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego).
Los autores encontraron pruebas sólidas de sulfuro de hidrógeno en HR 8799 cyd, y sus modelos atmosféricos indican un enriquecimiento de azufre similar en los tres planetas interiores.
“Con la detección de azufre, podemos inferir que los planetas HR 8799 probablemente se formaron de manera similar a Júpiter a pesar de ser de 5 a 10 veces más masivos, lo cual fue inesperado”, dice Ruffio.
Aunque los planetas son miles de veces más débiles que su estrella anfitriona, la sensibilidad del JWST permitió a los investigadores separar sus débiles señales del resplandor estelar.
Los investigadores superaron esto construyendo modelos atmosféricos complejos de los planetas, que pudieron ajustar y comparar con los datos.
“Al final, hemos detectado varias moléculas en estos planetas, algunas por primera vez, incluido el sulfuro de hidrógeno”, dice el astrónomo y coautor del estudio Jerry Xuan, de la Universidad de California en Los Ángeles.
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Los planetas están uniformemente enriquecidos en elementos pesados (incluidos carbono, oxígeno y azufre) en comparación con su estrella anfitriona, lo que indica que se incorporaron grandes cantidades de material sólido durante su formación.
Los investigadores encontraron que el nivel de enriquecimiento de elementos pesados es difícil de conciliar con algunos modelos de formación clásicos.
“No hay manera de que la formación planetaria sea tan eficiente”, afirma Michael Meyer, astrónomo de la Universidad de Michigan.
Los investigadores necesitarán observar otros sistemas más allá de HR 8799, pero tal como están las cosas, la eficiencia con la que se formaron sus tres planetas masivos es bastante desconcertante.
“Es un enigma. Realmente nos quedamos con un misterio”, dice Meyer.
El estudio fue publicado en Nature Astronomy.