El sistema WISPIT 2 visto por el telescopio Magellan en Chile y el Gran Telescopio Binocular en Arizona. El protoplaneta WISPIT 2b aparece como un punto púrpura en un espacio libre de polvo entre un anillo de polvo blanco brillante alrededor de la estrella y un anillo exterior más tenue, orbitando a unas 56 veces la distancia media entre la Tierra y el Sol. El otro planeta potencial, CC1, aparece como el objeto rojo dentro de la cavidad libre de polvo y se estima que está a unas 15 distancias Tierra-Sol de su estrella anfitriona.
Un equipo de astrónomos ha detectado por primera vez un planeta en formación fuera de nuestro sistema solar, incrustado en un espacio libre de un disco de polvo y gas con múltiples anillos. El equipo, dirigido por el astrónomo Laird Close, de la Universidad de Arizona, y Richelle van Capelleveen, estudiante de posgrado de astronomía del Observatorio de Leiden, en los Países Bajos, descubrió este exoplaneta único utilizando el sistema de óptica adaptativa extrema MagAO-X de la Universidad de Arizona en uno de los telescopios Magallanes del Observatorio Las Campanas en Chile, Clay, el Gran Telescopio Binocular de la Universidad de Arizona, en Arizona, y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral, en Chile. Sus resultados se han publicado en The Astrophysical Journal Letters.
En esta ilustración artística, rayos de luz similares a relámpagos fluyen hacia un planeta en formación desde el disco de polvo y gas que lo rodea.
En esta ilustración artística, el hidrógeno gaseoso que cae hace que el protoplaneta WISPIT 2b, en formación, brille intensamente en el espectro alfa del hidrógeno, al que el instrumento MagAO-X es especialmente sensible. (Joseph Olmsted/STScI/NASA)
Durante años, los astrónomos han observado varias docenas de discos de gas y polvo que forman planetas alrededor de estrellas jóvenes. Muchos de estos discos presentan huecos en sus anillos, lo que sugiere la posibilidad de que estén siendo «arados» por planetas nacientes cercanos, o protoplanetas, como carriles despejados por una quitanieves. Sin embargo, hasta la fecha solo se han descubierto unos tres protoplanetas jóvenes en crecimiento, todos ellos en las cavidades entre una estrella anfitriona y el borde interior de su disco protoplanetario adyacente. Hasta este descubrimiento, no se habían visto protoplanetas en los conspicuos huecos del disco, que aparecen como anillos oscuros.
«Se han escrito docenas de artículos teóricos sobre estas brechas observadas en los discos causadas por protoplanetas, pero nadie había encontrado una definitiva hasta hoy», afirma Close, profesor de astronomía de la Universidad de Arizona. Considera que el descubrimiento es «muy importante», ya que la ausencia de descubrimientos de planetas en lugares donde deberían estar ha llevado a muchos miembros de la comunidad científica a invocar explicaciones alternativas para el patrón de anillos y huecos que se encuentra en muchos discos protoplanetarios.
«De hecho, ha sido un punto de tensión en la literatura y en la astronomía en general que tengamos estas brechas realmente oscuras, pero no podamos detectar los exoplanetas débiles en ellas», afirmó. «Muchos han dudado de que los protoplanetas puedan crear estas brechas, pero ahora sabemos que, de hecho, pueden hacerlo».
Hace 4500 millones de años, nuestro sistema solar comenzó como uno de esos discos. A medida que el polvo se aglutinaba en grumos, absorbiendo el gas a su alrededor, comenzaron a formarse los primeros protoplanetas. Sin embargo, cómo se desarrolló exactamente este proceso sigue siendo en gran parte un misterio. Para encontrar respuestas, los astrónomos han observado otros sistemas planetarios que aún se encuentran en su infancia, conocidos como discos de formación planetaria o discos protoplanetarios.
El equipo de Close aprovechó un sistema de óptica adaptativa, uno de los más formidables de su tipo en el mundo, desarrollado y construido por Close, Jared Males y sus estudiantes. Males es astrónomo asociado del Observatorio Steward e investigador principal de MagAO-X. MagAO-X, que significa «Magellan Adaptive Optics System eXtreme» (Sistema de Óptica Adaptativa Magallanes Extremo), mejora drásticamente la nitidez y la resolución de las imágenes del telescopio al compensar la turbulencia atmosférica, el fenómeno que hace que las estrellas parpadeen y se vean borrosas, y que tanto temen los astrónomos.
Sospechando que debía haber planetas invisibles ocultos en los huecos de los discos protoplanetarios, el equipo de Close estudió todos los discos con huecos y los sondeó en busca de una emisión específica de luz visible conocida como hidrógeno alfa o H-alfa.
«A medida que los planetas se forman y crecen, absorben el gas hidrógeno de su entorno, y cuando ese gas cae sobre ellos como una gigantesca cascada procedente del espacio exterior y golpea la superficie, crea un plasma extremadamente caliente que, a su vez, emite esta particular firma de luz H-alfa», explicó Close. «MagAO-X está especialmente diseñado para buscar gas hidrógeno que cae sobre protoplanetas jóvenes, y así es como podemos detectarlos».
El equipo utilizó el telescopio Clay de 6,5 metros y MagAO-X para sondear WISPIT-2, un disco que van Capelleveen descubrió recientemente con el VLT. Al observarlo con luz H-alfa, el grupo de Close dio en el clavo. Apareció un punto de luz dentro del espacio entre dos anillos del disco protoplanetario que rodea la estrella. Además, el equipo observó un segundo planeta candidato dentro de la «cavidad» entre la estrella y el borde interior del disco de polvo y gas.
«Una vez que encendimos el sistema de óptica adaptativa, el planeta saltó a la vista», dijo Close, quien calificó este descubrimiento como uno de los más importantes de su carrera. «Después de combinar dos horas de imágenes, simplemente apareció».
Según Close, el planeta, denominado WISPIT 2b, es un ejemplo muy raro de protoplaneta en proceso de acumulación de material. Su estrella anfitriona, WISPIT 2, es similar al Sol y tiene aproximadamente la misma masa. El candidato a planeta interior, denominado CC1, contiene unas nueve masas de Júpiter, mientras que el planeta exterior, WISPIT 2b, pesa unas cinco masas de Júpiter. Estas masas se dedujeron, en parte, a partir de la luz infrarroja térmica observada por el Gran Telescopio Binocular de 8,4 metros de la Universidad de Arizona en el monte Graham, en el sureste de Arizona, con la ayuda del estudiante de posgrado de astronomía de la U de A Gabriel Weible.
«Es un poco como lo que habrían sido nuestro Júpiter y Saturno cuando eran 5000 veces más jóvenes de lo que son ahora», dijo Weible. «Los planetas del sistema WISPIT-2 parecen ser unas 10 veces más masivos que nuestros propios gigantes gaseosos y estar más dispersos. Pero es probable que su aspecto general no sea tan diferente de lo que un «astrónomo alienígena» cercano podría haber visto en una «foto de bebé» de nuestro sistema solar tomada hace 4500 millones de años».
«Nuestro sistema de óptica adaptativa MagAO-X está optimizado como ningún otro para funcionar bien en la longitud de onda H-alfa, por lo que se puede separar la brillante luz estelar del débil protoplaneta», explicó Close. «Alrededor de WISPIT 2 probablemente haya dos planetas, cuatro anillos y cuatro huecos. Es un sistema increíble».
CC1 podría orbitar a unas 14-15 unidades astronómicas, siendo una UA la distancia media entre el Sol y la Tierra, lo que lo situaría a medio camino entre Saturno y Urano, si formara parte de nuestro sistema solar, según Close. WISPIT-2b, el planeta que forma el hueco, está más lejos, a unas 56 UA, lo que en nuestro sistema solar lo situaría mucho más allá de la órbita de Neptuno, alrededor del borde exterior del cinturón de Kuiper.
Un segundo artículo publicado en paralelo y dirigido por van Capelleveen y la Universidad de Galway detalla la detección del planeta en el espectro de luz infrarroja y el descubrimiento del sistema de múltiples anillos con el sistema de óptica adaptativa SPHERE del telescopio VLT de 8 metros.
«Para ver los planetas en el fugaz momento de su juventud, los astrónomos tienen que encontrar sistemas de discos jóvenes, que son poco frecuentes», dijo van Capelleveen, «porque ese es el único momento en el que son realmente más brillantes y, por lo tanto, detectables. Si el sistema WISPIT-2 tuviera la edad de nuestro sistema solar y utilizáramos la misma tecnología para observarlo, no veríamos nada. Todo estaría demasiado frío y demasiado oscuro».
Esta investigación ha sido financiada en parte por una subvención del Programa de Investigación de Exoplanetas de la NASA. MagAO-X ha sido desarrollado en parte gracias a una subvención de la Fundación Nacional para la Ciencia de EE. UU. y al generoso apoyo de la Fundación Heising-Simons.