El Telescopio Espacial ha detectado indicios de un tercer planeta en PDS 70, un sistema con otros mundos en formación.

El censo de exoplanetas asciende ahora a 5.599 descubrimientos confirmados en 4.163 sistemas estelares, con otros 10.157 candidatos pendientes de confirmación. Hasta ahora, la gran mayoría de ellos se han detectado mediante métodos indirectos, como la fotometría de tránsito (74.4%) y las mediciones de la velocidad radial (19.4%).

Sólo 19 (o el 1.2%) se detectaron mediante imagen directa, un método en el que se utiliza la luz reflejada por la atmósfera o la superficie de un exoplaneta para detectarlo y caracterizarlo. Gracias a la última generación de instrumentos de alto contraste y resolución angular, esta situación está empezando a cambiar.

Entre ellos se encuentra el Telescopio Espacial James Webb y sus sofisticados espejos y avanzado conjunto de imágenes infrarrojas. Gracias a los datos obtenidos por la Near-Infrared Camera (NIRCam) del Webb, los astrónomos del sondeo MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS) han estudiado recientemente una estrella variable muy joven (PDS 70) situada a unos 370 años-luz de distancia con dos protoplanetas confirmados.

Tras examinar el sistema y su extenso disco de escombros, hallaron indicios de un posible tercer protoplaneta en órbita alrededor de la estrella. Estas observaciones podrían ayudar a avanzar en nuestra comprensión de los sistemas planetarios que aún están en proceso de formación.

Un sistema planetario bastante joven

Esta espectacular imagen del instrumento SPHERE en el Very Large Telescope de ESO es la primera imagen clara de un planeta atrapado en el mismo acto de formación alrededor de la estrella enana PDS 70. Crédito de imagen: ESO / A. Müller et al.

PDS 70 ha sido objeto de interés en los últimos años debido a su corta edad (entre 5.3 y 5.5 millones de años) y al disco protoplanetario que lo rodea. Entre 2018 y 2021, se confirmaron dos planetas protoplanetas dentro de los huecos de este disco a partir de datos de imagen directa adquiridos por sofisticados telescopios terrestres. Esto incluyó los instrumentos Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE) y GRAVITY en el Very Large Telescope (VLT) de ESO y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

En los últimos años, el equipo MINDS ha utilizado los datos espectrales de Webb para realizar inventarios químicos de discos protoplanetarios en múltiples sistemas estelares. En un estudio anterior basado en datos del instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, el equipo de MINDS detectó agua en el disco interior de PDS 70, situado a unos 160 millones de km (100 millones de millas) o 1.069 UA de la estrella, un hallazgo que podría tener implicaciones para la astrobiología y los orígenes del agua en planetas rocosos (como la Tierra). Estos resultados pusieron de manifiesto las impresionantes capacidades de Webb y cómo puede observar el cosmos en longitudes de onda infrarrojas (IR) inaccesibles para los observatorios terrestres.

Valentin Christiaens, investigador postdoctoral F.R.S-FNRS en la University of Liège y KU Leuven, fue el autor principal de este último trabajo.

Christiaens dijo a Universe Today:

“La ventaja de los instrumentos de Webb es que observan en longitudes de onda infrarrojas que no pueden observarse desde tierra debido a nuestra atmósfera, que absorbe la mayor parte del espectro infrarrojo. Gracias a Webb podemos obtener mediciones de planetas en formación (llamados protoplanetas) en infrarrojo, lo que nos permite restringir mejor nuestros modelos de formación de planetas”.

Para su último estudio, el equipo MINDS examinó PDS 70 utilizando datos de la NIRCam de Webb como parte del programa MIRI Guaranteed Time Observations sobre formación de planetas. Christiaens y su equipo estaban motivados para estudiar PDS 70 más a fondo porque investigaciones anteriores indicaban la posible detección de un tercer protoplaneta. Esto convierte al sistema en un laboratorio ideal para estudiar las interacciones planeta-disco y buscar señales de acreción. La presencia de una posible tercera señal fue detectada en 2019 por un equipo que utilizó el instrumento VLT/SPHERE, pero permaneció sin confirmar desde entonces.

Una posible interpretación para esta señal era que traza un tercer planeta. Utilizando datos de NIRCam, Christiaens y sus colegas trataron de volver a detectar esta señal y confirmar que se trataba de un tercer planeta en el sistema. El JWST es especialmente adecuado para esta tarea, gracias a su óptica avanzada y a su coronógrafo, que elimina las interferencias de las imágenes del Webb bloqueando la luz de la estrella. Él y sus colegas también contaron con la ayuda de algoritmos avanzados que ayudan a separar la luz estelar de otras fuentes puntuales en órbita (como los exoplanetas) y de los discos de desechos.

Como explicó Christiaens:

“La observación de otra estrella, llamada estrella de referencia, puede utilizarse para sustraer la luz de la estrella de interés y buscar allí exoplanetas. En nuestro estudio, en cambio, optamos por una técnica llamada ‘sustracción de rollos’, en la que se toman dos secuencias de imágenes de la estrella de interés antes y después de rotar el instrumento, respectivamente, de modo que la posición de un exoplaneta ha rotado en las dos secuencias de imágenes. A partir de ahí, sustrayendo las imágenes de una secuencia de las de la otra, y viceversa, podemos deshacernos efectivamente de la luz de la estrella y hacer imágenes de su entorno -planetas y disco”.

A continuación, el equipo combinó sus mediciones con observaciones anteriores realizadas con instrumentos terrestres y las comparó con modelos de formación planetaria. A partir de ahí, pudieron deducir la cantidad de gas y polvo acumulados alrededor del protoplaneta durante el periodo de observación. La calidad de las imágenes también les permitió destacar un brazo espiral de gas y polvo que rodea al segundo candidato confirmado (PDS 70 c), tal y como predecían los modelos. Por último, detectaron una señal brillante consistente con un candidato a protoplaneta envuelto en polvo.

Esta ilustración artística muestra un disco protoplanetario compacto y otro extendido. Crédito de imagen: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Christiaens agregó:

“Lo que hace que este candidato sea tan interesante es que podría estar en resonancia 1:2:4 con los planetas b y c, ya confirmados en el sistema (es decir, su periodo orbital será casi exactamente dos veces y cuatro veces más corto que el de b y c, respectivamente)”, afirma Christiaens. Esto es precisamente lo que ocurre con tres de las lunas galileanas de Júpiter (Ganímedes, Europa e Io), que también se encuentran en resonancia 1:2:4. La posibilidad de un sistema estelar con tres planetas en esta relación orbital sería una mina de oro para los astrónomos. “Sin embargo, se necesitan más observaciones antes de poder confirmar esta resonancia”.

Además de demostrar las capacidades de Webb, estos hallazgos podrían ayudar a fundamentar nuestra comprensión actual de cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios. Este es uno de los principales objetivos del JWST: utilizar su avanzada óptica infrarroja para sondear sistemas estelares jóvenes en los que los planetas aún están en proceso de formación. Esto ha sido una prioridad para los astrónomos desde que Kepler comenzó a detectar exoplanetas que desafiaban las teorías ampliamente aceptadas sobre cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios. En concreto, la detección de muchos gigantes gaseosos orbitando muy cerca de sus soles (“Júpiter calientes”) contradijo las teorías según las cuales los gigantes gaseosos se forman en los confines de los sistemas estelares.

Secuencia evolutiva de discos protoplanetarios con subestructuras, a partir del sondeo CAMPOS de ALMA. Estas amplias variedades de estructuras de discos planetarios son posibles lugares de formación de protoplanetas jóvenes. Crédito de imagen: Hsieh et al. in prep.

Al observar sistemas estelares jóvenes en distintas etapas de formación, los astrónomos esperan poner a prueba diversas teorías sobre cómo se formó el sistema solar.

Como resumió Christiaens:

“Se cree que la migración de planetas desempeña un papel crucial en la evolución de los sistemas planetarios y ayuda a explicar la diversidad de sistemas hallados hasta la fecha mediante métodos indirectos. En muchos sistemas maduros se ha observado que los planetas resuenan entre sí, lo que sugiere que esta migración tuvo lugar efectivamente en el pasado. En nuestro caso, observamos un sistema muy joven, aún en formación, donde los dos planetas gigantes conocidos parecen estar en resonancia y donde el tercer planeta potencial, de confirmarse, también lo estaría con los otros dos. En el caso del sistema solar, sospechamos que la migración y captura en resonancia de los planetas gigantes probablemente también tuvo lugar hace mucho tiempo, [lo que podría] explicar su configuración actual (hipótesis del Gran Giro). Aquí lo estamos observando potencialmente en vivo en otro sistema”.

Los hallazgos de la investigación se publicarán en la revista Astronomy & Astrophysics y está disponible en el servidor de preimpresiones arXiv.

Fuente: UT

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