Webb descubre señales de un tercer planeta en PDS 70, un sistema con otros dos mundos en formación

Los tres planetas en este sistema planetario parecen estar orbitando su estrella en una armónica resonancia.

Una ilustración artística del sistema PDS 70, no a escala. Los dos planetas están abriendo un espacio en el disco circumestelar mientras se forman. A medida que acumulan material que cae, el calor los hace brillar. Crédito: Observatorio W.M. Keck/Adam Makarenko.

A unos 370 años luz de distancia, PDS 70 ha sido objeto de interés en los últimos años debido a su corta edad (5.3 a 5.5 millones de años) y el disco protoplanetario circundante. Entre 2018 y 2021, dos protoplanetas fueron confirmados dentro de los huecos de este disco basado en datos de imágenes directas adquiridos por sofisticados telescopios terrestres.

En los últimos años, el equipo MINDS (‘Sondeo de Disco MIRI en Infrarrojo Medio’, por sus siglas en inglés) del telescopio espacial James Webb ha utilizado datos espectrales para realizar inventarios químicos en discos protoplanetarios en múltiples sistemas estelares. En un estudio anterior basado en datos del instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del flamante telescopio, el equipo detectó agua en el disco interno de PDS 70, ubicado a unos 160 millones de km 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 destacaron las impresionantes capacidades de Webb y cómo puede observar el cosmos en longitudes de onda infrarrojas (IR) inaccesibles para los observatorios terrestres.

«La ventaja de estos nuevos instrumentos es que observan en longitudes de onda infrarrojas que no pueden observarse desde la Tierra debido a nuestra atmósfera, que absorbe la mayor parte del espectro infrarrojo», dijo Valentin Christiaens, autor principal del estudio. «Gracias a Webb podemos obtener mediciones de planetas en formación —llamados protoplanetas— en infrarrojo, lo que nos permite restringir mejor nuestros modelos».

Un tercer mundo en resonancia

Para su último estudio, el equipo de MINDS examinó PDS 70 utilizando datos del instrumento NIRCam como parte del programa de Observaciones de Tiempo Garantizado de MIRI sobre formación de planetas. Christiaens y su equipo se sintieron motivados a estudiar PDS 70 más a fondo porque investigaciones previas indicaron la posible detección de un tercer protoplaneta, lo que convertía a este sistema en un laboratorio ideal para estudiar interacciones planeta-disco y buscar firmas 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.

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

Una posible interpretación para esta señal fue que rastreaba un tercer planeta. Utilizando datos de NIRCam, Christiaens y sus colegas buscaron confirmar que la señal estaba allí y ver si podía rastrear un tercer planeta en el sistema. El Webb es especialmente adecuado para esta tarea, gracias a sus ópticas avanzadas y coronógrafo, que elimina la interferencia de las imágenes del telescopio al bloquear la luz de la estrella. Los científicos también fueron ayudados por algoritmos avanzados que separan la luz estelar de otras fuentes puntuales en órbita —como exoplanetas— y discos protoplanetarios.

«La observación de otra estrella —llamada estrella de referencia— puede usarse para restar la luz de la estrella de interés y buscar exoplanetas allí. En nuestro estudio, optamos en su lugar por una técnica llamada “sustracción de giro”, donde se toman dos secuencias de imágenes de la estrella de interés antes y después de que se haya rotado el instrumento, respectivamente, de modo que la posición de un exoplaneta ha rotado en las dos secuencias de imágenes. A partir de ahí, al restar 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», explicó Christiaens.

Imágenes NIRCam de PDS 70. Crédito: V. Christiaens et al.

El equipo luego combinó sus medidas con observaciones previas realizadas con instrumentos terrestres y las compararon con modelos de formación planetaria. A partir de esto, pudieron deducir la velocidad a la que el gas y el polvo se acumulan alrededor del protoplaneta durante el período de observación. La calidad de las imágenes también les permitió resaltar un brazo espiral de gas y polvo que suministra al segundo protoplaneta confirmado (PDS 70 c), como predijeron los modelos. Por último, detectaron una señal brillante consistente con un candidato a protoplaneta envuelto en polvo.

«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 período orbital sería casi exactamente dos veces y cuatro veces más corto que el de b y c, respectivamente», dijo el autor principal. «Esto es precisamente lo que ocurre con tres de las lunas galileanas de Júpiter (Ganímedes, Europa e Ío), que también están en una 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 que esta resonancia pueda confirmarse».

Orígenes de nuestro sistema solar

Además de demostrar las capacidades de Webb, estos hallazgos podrían ayudar a mejorar nuestra comprensión actual de cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios. Este es uno de los principales objetivos del Webb: utilizar sus ópticas infrarrojas avanzadas para investigar sistemas estelares jóvenes donde 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 —la detección de muchos gigantes gaseosos orbitando cerca de sus soles (Júpiteres calientes), por ejemplo, contradecía las teorías de que los gigantes gaseosos se forman en las partes externas de los sistemas estelares—.

Al observar sistemas estelares jóvenes en diferentes etapas de formación, los astrónomos esperan probar varias teorías sobre cómo se formó nuestro sistema solar.

Resumen esquemático de la interpretación propuesta para las principales características detectadas en la observación con NIRCam, incluyendo un flujo de acreción alimentando el disco circumplanetario del planeta c, y un candidato a protoplaneta d en el borde del disco interno. Crédito: V. Christiaens et al.

«Se cree que la migración de planetas juega un papel crucial en la evolución de los sistemas planetarios y ayuda a explicar la diversidad de sistemas encontrados hasta la fecha a través de métodos indirectos. En muchos sistemas maduros, se ha encontrado que los planetas resuenan entre sí, lo que sugiere que esta migración ocurrió en el pasado. En nuestro caso, observamos un sistema muy joven, aún en formación, donde los 2 gigantes planetarios conocidos parecen estar en resonancia y donde el tercer planeta potencial, si se confirma, también lo estaría con los otros dos», señaló Christiaens.

«En el caso del sistema solar, sospechamos que la migración y la captura de resonancia de los gigantes gaseosos probablemente también ocurrieron hace mucho tiempo, lo que podría explicar su configuración actual (hipótesis de la Gran Estrategia). ¡Aquí estamos potencialmente observándolo en vivo en otro sistema!», concluyó.

El estudio ha sido publicado en arXiv.

Fuente: UT. Edición: MP.