Telescopio espacial Webb para explorar la formación de sistemas planetarios

Se necesitan millones de años para que se formen los sistemas planetarios, lo que presenta un gran desafío para los astrónomos.

¿Cómo se determina en qué etapa se encuentran o se clasifican? La mejor manera es mirar muchos ejemplos y seguir agregando a los datos que tenemos, y el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA podrá proporcionar el inventario de infrarrojos. Los investigadores que utilizan Webb supervisarán 17 sistemas planetarios activos. Estos sistemas mapeados fueron evaluados previamente por el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), el radiotelescopio más grande del mundo, para las infraestructuras de disco del Proyecto de Alta Resolución Angular (DSHARP).

Webb medirá los espectros que pueden revelar moléculas en las regiones internas de estos discos protoplanetarios, complementando los detalles proporcionados por ALMA sobre las regiones externas de los discos. Estas regiones del interior son donde los planetas rocosos similares a la Tierra pueden comenzar a formarse, que es una de las razones por las que queremos aprender más sobre las moléculas que existen.

Un equipo de investigación dirigido por Colette Salk del Vassar College en Poughkeepsie, Nueva York, y Klaus Pontopedan del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, están buscando detalles en luz infrarroja. «Una vez que cambiemos a la luz infrarroja, específicamente a la banda de Webb en la luz del infrarrojo medio, seremos sensibles a las moléculas más abundantes que transportan los elementos comunes», explicó Pontopedan.

Los investigadores podrán evaluar las cantidades de agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y amoníaco, entre muchas otras moléculas, en cada tableta. Fundamentalmente, podrán contar las moléculas que contienen los elementos esenciales de la vida tal como la conocemos, incluidos el oxígeno, el carbono y el nitrógeno. ¿Como hacer? Usando espectroscopia: Webb captura 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. Debido a que cada molécula imprime un patrón único en el espectro, los investigadores pueden identificar qué moléculas están presentes y construir inventarios del contenido dentro de cada disco protoplanetario. La fuerza de estos patrones también lleva información sobre la temperatura y la cantidad de cada molécula.

«Los datos de Webb también nos ayudarán a determinar dónde están las moléculas dentro del sistema general», dijo Salk. «Si hace calor, eso significa que está más cerca de la estrella. Si hace más frío, podría estar más lejos». Esta información espacial ayudará a informar los modelos que los científicos están construyendo mientras continúan examinando los datos de este programa.

Saber qué hay en el interior de los discos también tiene otros beneficios. ¿Llegó el agua, por ejemplo, a esta región, donde podrían formarse planetas habitables? «Una de las cosas realmente asombrosas de los planetas: simplemente cambia un poco la química y puedes tener estos mundos dramáticamente diferentes», continuó Salk. «Es por eso que estamos interesados ​​en la química. Estamos tratando de descubrir cómo los materiales que estaban inicialmente en un sistema podrían terminar como diferentes tipos de planetas».

Si esto le parece una gran tarea, no se preocupe, será un esfuerzo de la comunidad. Esto es Webb Treasury, lo que significa que los datos se publican tan pronto como se transmiten a todos los astrónomos, lo que permite a todos extraer los datos de inmediato, comenzar a evaluar lo que hay en cada ajuste y compartir sus hallazgos.

«Los datos infrarrojos de Webb se estudiarán más intensamente», añadió el coautor Ke Zhang de la Universidad de Wisconsin-Madison. «Queremos que toda la comunidad de investigadores pueda trabajar con los datos desde diferentes ángulos».

Los investigadores utilizarán el telescopio espacial James Webb de la NASA para estudiar 17 de los 20 discos protoplanetarios cercanos detectados por el Gran Conjunto Milimétrico / Submarino Atacama (ALMA) en Chile en 2018 para las estructuras del núcleo del disco del Proyecto de Alta Resolución Angular (DSHARP). ALMA ha proporcionado datos excelentes sobre los discos externos, pero Webb detallará los discos internos conectando espectros, que dispersan la luz en un arco iris, revelando la composición química de cada objeto. Créditos: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al; N. Lira

¿Por qué un examen más detenido?

Volvamos a ver el bosque por los árboles. Imagina que estás en un barco de búsqueda frente a la costa de un área remota. Este es el ancho más ancho. Si va hacia abajo y hacia abajo, puede comenzar a contar cuántos árboles hay y cuántos tipos de cada árbol. Puede comenzar identificando insectos y pájaros específicos y haciendo coincidir los sonidos que escucha afuera con las llamadas que escucha debajo de las copas de los árboles. Esta catalogación detallada se parece mucho a lo que Webb permitiría hacer a los investigadores, pero reemplazando árboles y animales con elementos químicos.

Los discos protoplanetarios de este programa son muy brillantes y relativamente cercanos a la Tierra, lo que los convierte en excelentes objetivos de estudio. Por eso fueron encuestados por ALMA. También es la razón por la que los investigadores del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA lo están estudiando. Estas cosas solo se han estudiado en profundidad desde 2003, por lo que esta es un área de investigación relativamente reciente. Hay mucho que Webb puede agregar a lo que sabemos.

El instrumento Instrumento de infrarrojos medios (MIRI) del telescopio ofrece varias ventajas. La posición de Webb en el espacio significa que puede capturar todo el rango de luz infrarroja media (la atmósfera de la Tierra filtra la luz). Además, sus datos serán de alta resolución, lo que revelará más líneas y oscilaciones en los espectros que los investigadores pueden utilizar para extraer moléculas específicas.

Los investigadores también han sido selectivos sobre los tipos de estrellas elegidos para estas observaciones. Esta muestra incluye estrellas con una masa de aproximadamente la mitad de la masa del Sol a aproximadamente el doble de la masa del Sol. ¿Por qué? El objetivo es ayudar a los investigadores a aprender más sobre sistemas que podrían ser como los nuestros cuando se formaron. «Con esta muestra, podemos comenzar a determinar si hay alguna característica común entre las características de los discos y su química interna», continuó Zhang. «En última instancia, queremos poder predecir los tipos de sistemas que tienen más probabilidades de generar planetas habitables».

Empiece a responder las grandes preguntas

Este programa también puede ayudar a los investigadores a comenzar 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 forman? ¿O la mezcla exacta de sustancias químicas cambia con el tiempo? “Creemos que podemos llegar a algunas de estas respuestas haciendo inventarios usando la web”, explicó Pontopedan. «Obviamente hay una gran cantidad de trabajo por hacer, y no se puede hacer solo con estos datos, pero creo que vamos a lograr un progreso significativo».

Pensando de manera más amplia en los espectros increíblemente ricos que proporcionará Webb, Salk agregó: «Espero que veamos cosas que nos sorprendan y luego comencemos a estudiar esos descubrimientos fortuitos».

Esta investigación se llevará a cabo como parte de los programas Webb General Observer (GO), que se seleccionan de manera competitiva mediante un sistema de doble revisión anónimo, el mismo sistema utilizado para asignar tiempo en el Telescopio Espacial Hubble.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá los misterios de nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes del universo y nuestro lugar en ella. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

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