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El agua en la Tierra es más antigua que nuestro Sol

La impresión artística muestra el disco de formación planetaria alrededor de la estrella V883 Orionis. En la parte más externa del disco, el agua se congela como hielo y, por lo tanto, no se puede detectar fácilmente. Un estallido de energía de la estrella calienta el disco interior a una temperatura donde el agua es gaseosa, lo que permite a los astrónomos detectarlo. La imagen del recuadro muestra los dos tipos de moléculas de agua estudiadas en este disco: agua normal, con un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, y una versión más pesada donde un átomo de hidrógeno se reemplaza con deuterio, un isótopo pesado de hidrógeno. Ilustración: ESO/L. Calçada

Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), los astrónomos han detectado agua gaseosa en el disco de formación planetaria alrededor de la estrella V883 Orionis. Esta agua lleva una firma química que explica el viaje del agua desde las nubes de gas de formación estelar hasta los planetas, y apoya la idea de que el agua en la Tierra es incluso más antigua que nuestro Sol.

“Ahora podemos rastrear los orígenes del agua en nuestro Sistema Solar antes de la formación del Sol”, dice John J. Tobin, astrónomo del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), EE.UU. y autor principal del estudio publicado hoy (8 de marzo) en la revista Nature.

Este descubrimiento se realizó estudiando la composición del agua en V883 Orionis, un disco de formación planetaria a unos 1300 años luz de distancia de la Tierra. Cuando una nube de gas y polvo colapsa, forma una estrella en su centro. Alrededor de la estrella, el material de la nube también forma un disco. En el transcurso de unos pocos millones de años, la materia en el disco se agrupa para formar cometas, asteroides y, finalmente, planetas. Tobin y su equipo utilizaron ALMA, en el que el Observatorio Europeo Austral (ESO) es socio, para medir las firmas químicas del agua y su camino desde la nube de formación estelar hasta los planetas.


Imágenes de ALMA del disco alrededor de la estrella V883 Orionis, que muestran la distribución espacial del agua (izquierda, naranja), polvo (centro, verde) y monóxido de carbono (azul, derecha). Debido a que el agua se congela a temperaturas más altas que el monóxido de carbono, solo se puede detectar en forma gaseosa más cerca de la estrella. La brecha aparente en las imágenes de agua y monóxido de carbono se debe en realidad a la emisión brillante del polvo, que atenúa la emisión del gas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

El agua generalmente consiste en un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. El equipo de Tobin estudió una versión ligeramente más pesada del agua donde uno de los átomos de hidrógeno se reemplaza con deuterio, un isótopo pesado de hidrógeno. Debido a que el agua simple y pesada se forma bajo diferentes condiciones, su proporción se puede usar para rastrear cuándo y dónde se formó el agua. Por ejemplo, se ha demostrado que esta proporción en algunos cometas del Sistema Solar es similar a la del agua en la Tierra, lo que sugiere que los cometas podrían haber entregado agua a la Tierra.


Este diagrama ilustra cómo una nube de gas colapsa para formar una estrella con un disco a su alrededor, a partir del cual eventualmente se formará un sistema planetario. Ilustración: ESO/L. Calçada

El viaje del agua de las nubes a las estrellas jóvenes, y luego de los cometas a los planetas se ha observado anteriormente, pero hasta ahora faltaba el vínculo entre las estrellas jóvenes y los cometas. “V883 Orionis es el eslabón perdido en este caso”, dice Tobin. “La composición del agua en el disco es muy similar a la de los cometas en nuestro propio Sistema Solar. Esto es una confirmación de la idea de que el agua en los sistemas planetarios se formó hace miles de millones de años, antes del Sol, en el espacio interestelar, y ha sido heredada tanto por los cometas como por la Tierra, relativamente sin cambios”.

Pero observar el agua resultó ser complicado. “La mayor parte del agua en los discos de formación planetaria está congelada como hielo, por lo que generalmente está oculta a nuestra vista”, dice la coautora Margot Leemker, estudiante de doctorado en el Observatorio de Leiden en los Países Bajos. El agua gaseosa se puede detectar gracias a la radiación emitida por las moléculas a medida que giran y vibran, pero esto es más complicado cuando el agua está congelada, donde el movimiento de las moléculas está más restringido. El agua gaseosa se puede encontrar hacia el centro de los discos, cerca de la estrella, donde es más caliente. Sin embargo, estas regiones cercanas están ocultas por el propio disco de polvo, y también son demasiado pequeñas para ser fotografiadas con nuestros telescopios.

Afortunadamente, el disco V883 Orionis demostró en un estudio reciente que es inusualmente caliente. Un dramático estallido de energía de la estrella calienta el disco, “hasta una temperatura en la que el agua ya no está en forma de hielo, sino de gas, lo que nos permite detectarlo”, dice Tobin.


Esta impresión artística muestra el disco de formación planetaria alrededor de la estrella V883 Orionis. En la parte más externa del disco, el agua se congela como hielo y, por lo tanto, no se puede detectar fácilmente. Un estallido de energía de la estrella calienta el disco interior a una temperatura donde el agua es gaseosa, lo que permite a los astrónomos detectarlo. Fotografía: ESO/L. Calçada

El equipo utilizó ALMA, un conjunto de radiotelescopios en el norte de Chile, para observar el agua gaseosa en V883 Orionis. Gracias a su sensibilidad y capacidad para discernir pequeños detalles, pudieron detectar el agua y determinar su composición, así como mapear su distribución dentro del disco. A partir de las observaciones, encontraron que este disco contiene al menos 1200 veces la cantidad de agua en todos los océanos de la Tierra.

En el futuro, esperan utilizar el próximo Extremely Large Telescope de ESO y su instrumento de primera generación METIS. Este instrumento de infrarrojo medio podrá resolver la fase gaseosa del agua en este tipo de discos, fortaleciendo el vínculo del camino del agua desde las nubes de formación estelar hasta los sistemas solares. “Esto nos dará una visión mucho más completa del hielo y el gas en los discos de formación planetaria”, concluye Leemker.


Este gráfico muestra la ubicación de la joven estrella V883 Orionis en la famosa constelación de Orión. La mayoría de las estrellas visibles a simple vista en una noche clara y oscura están trazadas. La ubicación del V833 Orionis está marcada con un círculo rojo. Esta estrella es muy débil y necesita un gran telescopio de aficionados para ser vista visualmente. Está muy cerca en el cielo, y físicamente asociada con, la enorme y brillante Nebulosa de Orión justo al noroeste. Crédito: ESO/IAU y Sky & Telescope

Referencia: “El agua enriquecida con deuterio vincula los discos de formación planetaria con cometas y protoestrellas” por John J. Tobin, Merel L. R. van ‘t Hoff, Margot Leemker, Ewine F. van Dishoeck, Teresa Paneque-Carreño, Kenji Furuya, Daniel Harsono, Magnus V. Persson, L. Ilsedore Cleeves, Patrick D. Sheehan y Lucas Cieza, 8 de marzo de 2023, Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05676-z El equipo está compuesto por John J. Tobin (Observatorio Nacional de Radioastronomía, EE.UU.), Merel L. R. van’t Hoff (Departamento de Astronomía, Universidad de Michigan, EE.UU.), Margot Leemker (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Países Bajos [Leiden]), Ewine F. van Dishoeck (Leiden), Teresa Paneque-Carreño (Leiden; Observatorio Europeo Austral, Alemania), Kenji Furuya (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Japón), Daniel Harsono (Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Tsing Hua, Taiwán), Magnus V. Persson (Departamento de Espacio, Tierra y Medio Ambiente, Universidad Tecnológica de Chalmers, Observatorio Espacial de Onsala, Suecia), L. Ilsedore Cleeves (Departamento de Astronomía, Universidad de Virginia, EE.UU.), Patrick D. Sheehan (Centro de Exploración Interdisciplinaria e Investigación en Astronomía, Northwestern University, USA) y Lucas Cieza (Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Millennium Nucleus on Young Exoplanets and their Moons, Universidad Diego Portales, Chile).

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