Una nueva imagen del Telescopio Espacial Webb de la brillante estrella cercana Fomalhaut revela detalles nunca antes vistos, incluidos anillos de polvo anidados que insinúan las fuerzas de planetas invisibles.
Un equipo dirigido por astrónomos de la Universidad de Arizona utilizó el Telescopio Espacial James Webb de la NASA para obtener imágenes del polvo caliente alrededor de una estrella joven cercana, Fomalhaut, para estudiar el primer cinturón de asteroides jamás visto fuera de nuestro sistema solar en luz infrarroja. La imagen muestra anillos concéntricos anidados de polvo, algunos de los cuales nunca se habían visto antes. Lo más probable es que estos cinturones estén tallados por las fuerzas gravitacionales producidas por planetas incrustados e invisibles.
Para sorpresa de los astrónomos, las estructuras polvorientas son mucho más complejas que los cinturones de polvo de asteroides y Kuiper de nuestro sistema solar. Hay tres cinturones anidados que se extienden a 14 mil millones de millas, o 23 mil millones de kilómetros, de la estrella; eso es 150 veces la distancia de la Tierra al sol. La escala del cinturón más externo es aproximadamente el doble de la escala del cinturón de Kuiper de nuestro sistema solar, que consiste en cuerpos pequeños y polvo frío más allá de Neptuno, el planeta más externo conocido. Los cinturones interiores en el sistema Fomalhaut, que nunca se habían visto antes, fueron revelados por Webb por primera vez. Los resultados fueron publicados el 8 de mayo en la revista Nature Astronomy.
Los cinturones rodean a la joven estrella caliente, que está a unos 25 años luz de la Tierra y se puede ver a simple vista como la estrella más brillante de la constelación austral de Piscis Austrinus. Los cinturones polvorientos son los escombros de colisiones de cuerpos más grandes, similares a los asteroides y cometas, y se describen con frecuencia como discos de escombros. Los astrónomos descubrieron por primera vez el disco de Fomalhaut en 1983. Pero nunca ha habido una visión tan espectacular, o tan reveladora, como la de Webb.
Esta imagen muestra las características del sistema Fomalhaut, incluidos los cinturones de asteroides internos y externos. Se resalta la “gran nube de polvo”, y los extractos la muestran en dos longitudes de onda infrarrojas, 23 y 25,5 micras. La barra de escala está etiquetada en unidades astronómicas, que es la distancia promedio entre la Tierra y el sol, o 93 millones de millas. El anillo exterior abarca aproximadamente 240 distancias Tierra-Sol. Crédito: NASA, ESA, CSA, András Gáspár (Universidad de Arizona), Alyssa Pagan (STScI)
“Yo describiría Fomalhaut como el arquetipo de los discos de escombros que se encuentran en otras partes de nuestra galaxia, porque tiene componentes similares a los que tenemos en nuestro propio sistema planetario”, dijo el autor principal del estudio, András Gáspár, astrónomo asistente del Observatorio Steward de UArizona. “Al observar los patrones en estos anillos, podemos comenzar a hacer un pequeño boceto de cómo debería ser un sistema planetario, si realmente pudiéramos tomar una imagen lo suficientemente profunda como para ver los planetas sospechosos”.
La idea de un disco protoplanetario alrededor de una estrella se remonta a finales de 1700 cuando los astrónomos Immanuel Kant y Pierre-Simon Laplace desarrollaron independientemente la teoría de que el sol y los planetas se formaron a partir de una nube de gas giratoria que colapsó y se aplanó debido a la gravedad. Los discos de escombros se desarrollan más tarde, después de la formación de los planetas y una vez que el gas primordial se ha dispersado. A medida que pequeños cuerpos como los asteroides chocan, sus superficies se pulverizan en enormes nubes de polvo y otros escombros. Las observaciones de su 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.
El Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio Espacial Herschel y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) han tomado previamente imágenes nítidas del cinturón más externo alrededor de Fomalhaut. Sin embargo, ninguno de ellos encontró ninguna estructura dentro de él. Los cinturones interiores han sido resueltos por primera vez por Webb en luz infrarroja.
“Donde Webb realmente sobresale es que podemos resolver físicamente el brillo térmico del polvo en esas regiones internas”, dijo Schuyler Wolff, profesor asistente de investigación en Steward y coautor del artículo. “Entonces, puedes ver cinturones internos que nunca pudimos ver antes”.
Hubble, ALMA y Webb están haciendo equipo para ensamblar una visión holística de los discos de escombros alrededor de varias estrellas.
“Con Hubble y ALMA, pudimos obtener imágenes de un montón de análogos del cinturón de Kuiper, y hemos aprendido mucho sobre cómo se forman y evolucionan los discos externos”, dijo 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 internas de estos discos como Hubble y ALMA nos enseñaron sobre las regiones exteriores más frías”.
Lo más probable es que estos cinturones estén tallados por las fuerzas gravitacionales 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 ser pastoreado por cuerpos aún no vistos más allá de él. A medida que Webb obtenga imágenes de más sistemas, los astrónomos obtendrán una comprensión más detallada de las configuraciones de sus planetas.
“Los cinturones alrededor de Fomalhaut son una especie de novela de misterio: ¿Dónde están los planetas?”, dijo el miembro del equipo George Rieke, profesor de astronomía de UArizona Regents que se desempeña como líder científico de Estados Unidos para el Instrumento de Infrarrojo Medio de Webb, o MIRI, que hizo estas observaciones. “Creo que no es un gran salto decir que probablemente haya 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”, agregó Wolff. “Esa estructura es muy emocionante porque cada vez que un astrónomo ve un hueco y anillos en un disco, dicen: ‘Podría haber un planeta incrustado dando forma a los anillos'”.
Webb también imaginó lo que Gáspár llama “la gran nube de polvo” que puede ser evidencia de una colisión que ocurrió en el anillo exterior entre dos cuerpos protoplanetarios. Esta es una característica diferente de un planeta sospechoso visto por primera vez dentro del anillo exterior por Hubble en 2008. Las observaciones posteriores del Hubble realizadas por el equipo de Gáspár mostraron que para 2014 el objeto había desaparecido. Una interpretación plausible es que esta característica recién descubierta, como la anterior, es una nube en expansión de partículas de polvo muy finas de dos cuerpos helados que se estrellaron entre sí.
Referencia: “Imágenes resueltas espacialmente del disco interno de Fomalhaut usando JWST/MIRI” por András Gáspár, Schuyler Grace Wolff, George H. Rieke, Jarron M. Leisenring, Jane Morrison, Kate Y. L. Su, Kimberly Ward-Duong, Jonathan Aguilar, Marie Ygouf, Charles Beichman, Jorge Llop-Sayson y Geoffrey Bryden, 8 de mayo de 2023, Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-023-01962-6
Imagen de la portada: Esta imagen muestra cómo los componentes del sistema de desechos de Fomalhaut se relacionan entre sí. Las observaciones realizadas con el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array revelan granos del tamaño de arena que orbitan la estrella, astillándose entre sí (se muestra en rojo). Las partículas de grano más fino resultantes, trazadas por el Telescopio Espacial Hubble y mostradas aquí en azul, son expulsadas del anillo exterior por los fotones que fluyen desde la estrella. El instrumento MIRI de JWST proporciona la imagen completa al revelar el polvo caliente que llena la parte interna del sistema Fomalhaut (naranja). Este polvo está organizado en un segundo anillo, lo que indica la presencia de uno o más planetas cercanos. Crédito: Adam Block y András Gáspár/Observatorio Steward