Usando el telescopio espacial James Webb, los astrónomos observaron tres planetas enanos en el Cinturón de Kuiper, descubriendo hidrocarburos ligeros y moléculas complejas. Estos hallazgos mejoran nuestra comprensión de los objetos en el Sistema Solar exterior y destacan las capacidades del JWST en la exploración espacial.
El Cinturón de Kuiper, la vasta región en el borde de nuestro Sistema Solar poblada por innumerables objetos helados, es un tesoro de descubrimientos científicos.
La detección y caracterización de los Objetos del Cinturón de Kuiper (KBOs), a veces denominados Objetos Transneptunianos (TNOs), ha llevado a una nueva comprensión de la historia del Sistema Solar. La disposición de los KBO es un indicador de las corrientes gravitacionales que han dado forma al Sistema Solar y revelan una historia dinámica de las migraciones planetarias. Desde finales del siglo XX, los científicos han estado ansiosos por observar más de cerca los KBO para aprender más sobre sus órbitas y composición.
Observaciones del telescopio espacial James Webb
El estudio de los cuerpos en el Sistema Solar exterior es uno de los muchos objetivos del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Utilizando datos obtenidos por el Espectrómetro de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) de Webb, un equipo internacional de astrónomos observó tres planetas enanos en el Cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar.
Estas observaciones revelaron varias cosas interesantes sobre sus respectivas órbitas y composición, incluidos hidrocarburos ligeros y moléculas orgánicas complejas que se cree que son producto de la irradiación de metano. La investigación fue dirigida por Joshua Emery, profesor de Astronomía y Ciencias Planetarias en la Universidad del Norte de Arizona. A él se unieron investigadores del Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC) de la NASA, el Institut d’Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), el Instituto Pinhead, el Instituto Espacial de Florida (Universidad de Florida Central), el Observatorio Lowell, el Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI), el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI), Universidad Americana y la Universidad de Cornell.
Una preimpresión de su artículo ha aparecido en línea y está siendo revisada para su publicación por Icarus.
Historia de la exploración del Cinturón de Kuiper
A pesar de todos los avances en astronomía y exploradores robóticos, lo que sabemos sobre la región transneptuniana y el cinturón de Kuiper sigue siendo limitado. Hasta la fecha, la única misión para estudiar Urano, Neptuno y sus principales satélites fue la misión Voyager 2, que sobrevoló estos gigantes de hielo en 1986 y 1989, respectivamente. Además, la misión New Horizons fue la primera nave espacial en estudiar Plutón y sus satélites (en julio de 2015) y la única en encontrar un objeto en el Cinturón de Kuiper, lo que ocurrió el 1 de enero de 2019, cuando sobrevoló el KBO conocido como Arrokoth.
Expectativas de los astrónomos del JWST
Esta es una de las muchas razones por las que los astrónomos han esperado ansiosamente el lanzamiento del JWST. Además de estudiar exoplanetas y las primeras galaxias del Universo, sus poderosas capacidades de imágenes infrarrojas también se han volcado hacia nuestro patio trasero, revelando nuevas imágenes de Marte, Júpiter y sus satélites más grandes. Para su estudio, Emery y sus colegas consultaron datos de infrarrojo cercano obtenidos por Webb de tres planetoides en el Cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estos cuerpos tienen unos 1.000 km (620 millas) de diámetro, lo que los coloca dentro de la designación de la IAU para planetas enanos.
Perspectivas sobre los planetas enanos
Como Emery le dijo a Universe Today por correo electrónico, estos cuerpos son especialmente interesantes para los astrónomos debido a su tamaño, órbitas y composiciones.
Otros cuerpos transneptunianos, como Plutón, Eris, Haumea y Makemake, han retenido hielos volátiles en sus superficies (nitrógeno, metano, etc.). La única excepción es Haumea, que perdió sus volátiles en un gran impacto (aparentemente). Como dijo Emery, querían ver si Sedna, Gonggong y Quaoar también tienen volátiles similares en sus superficies:
“Trabajos anteriores han demostrado que pueden ser capaces de hacerlo. Si bien todos tienen tamaños más o menos similares, sus órbitas son distintas. Sedna es un objeto interior de la Nube de Oort con un perihelio de 76 UA y un afelio de casi 1.000 UA, Gonggong también está en una órbita muy elíptica, con un perihelio de 33 UA y un afelio ~100 UA, y Quaoar está en una órbita relativamente circular cerca de 43 UA. Estas órbitas colocan a los cuerpos en diferentes regímenes de temperatura y diferentes entornos de irradiación (Sedna, por ejemplo, pasa la mayor parte de su tiempo fuera de la heliosfera del Sol). Queríamos investigar cómo esas diferentes órbitas podrían afectar a las superficies. También hay otros hielos interesantes y compuestos orgánicos complejos en las superficies”.
Imágenes de una de las dos observaciones de rejilla PRISM de Sedna, Gonggong y Quaoar. Crédito: Emery, J.P. et al. (2023)
Utilizando datos del instrumento NIRSpec de Webb, el equipo observó los tres cuerpos en modo de prisma de baja resolución en longitudes de onda que abarcan de 0,7 a 5,2 micrómetros (μm), colocándolos a todos en el espectro del infrarrojo cercano. Se realizaron observaciones adicionales de Quaoar de 0,97 a 3,16 μm utilizando rejillas de resolución media a diez veces la resolución espectral. Los espectros resultantes revelaron algunas cosas interesantes sobre estos TNO y las composiciones de la superficie, dijo Emery: “Encontramos abundante etano (C2H6) en los tres cuerpos, sobre todo en Sedna. Sedna también muestra acetileno (C2H2) y etileno (C2H4). Las abundancias se correlacionan con la órbita (la mayor parte en Sedna, menos en Gonggong, la menor en Quaoar), lo que es consistente con las temperaturas relativas y los entornos de irradiación. Estas moléculas son productos de irradiación directa del metano (CH4). Si el etano (o los otros) hubieran estado en las superficies durante mucho tiempo, se habrían convertido en moléculas aún más complejas por irradiación. Dado que todavía los vemos, sospechamos que el metano (CH4) debe ser reabastecido a las superficies con bastante regularidad”.
Estos hallazgos son consistentes con los presentados en un par de estudios recientes dirigidos por el Dr. Will Grundy, astrónomo del Observatorio Lowell y coinvestigador de la misión New Horizons de la NASA, y Chris Glein, científico planetario y geoquímico del SwRI. Para ambos estudios, Grundy, Glien y sus colegas midieron las proporciones de deuterio/hidrógeno (D/H) en el metano en Eris y Makemake y concluyeron que el metano no era primordial. En cambio, argumentan que las proporciones son el resultado de que el metano se procesa en su interior y se entrega a la superficie.
“Sugerimos que lo mismo puede ser cierto para Sedna, Gonggong y Quaoar”, dijo Emery. “También vemos que los espectros de Sedna, Gonggong y Quaoar son distintos de los de los KBO más pequeños. Hubo charlas en dos conferencias recientes que mostraron que los datos del JWST de los KBO más pequeños se agrupan en tres grupos, ninguno de los cuales se parece a Sedna, Gonggong y Quaoar. Ese resultado es consistente con que nuestros tres cuerpos más grandes tienen una historia geotérmica diferente”.
Comparación entre los ocho TNO más grandes con la Tierra (todos a escala). Crédito: NASA/Lexicon
Implicaciones de los hallazgos
Estos hallazgos podrían tener implicaciones significativas para el estudio de KBOs, TNOs y otros objetos en el Sistema Solar exterior. Esto incluye nuevos conocimientos sobre la formación de objetos más allá de la Línea de Congelación en los sistemas planetarios, que se refiere a la línea más allá de la cual los compuestos volátiles se congelarán en sólidos. En nuestro Sistema Solar, la región transneptuniana corresponde a la línea de nitrógeno, donde los cuerpos retendrán grandes cantidades de volátiles con puntos de congelación muy bajos (es decir, nitrógeno, metano y amoníaco). Estos hallazgos, dijo Emery, también demuestran qué tipo de procesos evolutivos están funcionando para los cuerpos en esta región: “La implicación principal puede ser encontrar el tamaño en el que los KBO se han calentado lo suficiente como para el reprocesamiento interior de los hielos primordiales, tal vez incluso la diferenciación. También deberíamos ser capaces de utilizar estos espectros para comprender mejor el procesamiento de la irradiación de los hielos superficiales en el Sistema Solar exterior. Y los estudios futuros también podrán analizar con más detalle la estabilidad volátil y la posibilidad de atmósferas en estos cuerpos en cualquier parte de sus órbitas”.
Los resultados de este estudio también muestran las capacidades del JWST, que ha demostrado su valía muchas veces desde que entró en funcionamiento a principios del año pasado. También nos recuerdan que, además de permitir nuevas visiones y avances de planetas distantes, galaxias y la estructura a gran escala del Universo, Webb también puede revelar cosas sobre nuestro pequeño rincón del cosmos.
“Los datos del JWST son fantásticos”, añadió Emery. “Nos permitieron obtener espectros en longitudes de onda más largas que las que podemos obtener desde tierra, lo que permitió la detección de estos hielos. A menudo, cuando se observa en un nuevo rango de longitud de onda, los datos iniciales pueden ser de muy mala calidad. El JWST no solo abrió un nuevo rango de longitudes de onda, sino que también proporcionó datos de fantástica alta calidad que son sensibles a un conjunto de materiales en las superficies del Sistema Solar exterior”.
Referencia: “A Tale of 3 Dwarf Planets: Ices and Organics on Sedna, Gonggong, and Quaoar from JWST Spectroscopy” por J.P. Emery, I. Wong, R. Brunetto, J.C. Cook, N. Pinilla-Alonso, J.A. Stansberry, B.J. Holler, W.M. Grundy, S. Protopapa, A.C. Souza-Feliciano, E. Fernández-Valenzuela, J.I. Lunine y D.C. Hines, 26 de septiembre de 2023, Astrofísica > Astrofísica Planetaria y de la Tierra. arXiv:2309.15230