Sello asturiano en un hallazgo astronómico: la primera detección de hielo cristalino fuera del sistema solar

El origen de nuestro sistema solar, la disposición de los planetas y la presencia de elementos que permitieron la aparición de la vida son una de las principales preocupaciones de los astrofísicos, que no solo exploran nuestro planeta y aquello que le rodea para encontrar respuestas, sino que también buscan en soles lejanos sistemas en formación que den pistas. La astrofísica asturiana Noemí Pinilla-Alonso, investigadora de la Universidad de Oviedo, participa en un hallazgo que permite responder a algunas preguntas relevantes: en concreto si la presencia de hielo es habitual en otras estrellas y sus sistemas planetarios. Y también, si la historia de formación de nuestro Sistema Solar es común en el universo.

Mediante mediciones realizadas con el telescopio espacial James Webb, los científicos han podido detectar presencia de hielo de agua en estado cristalino en un lejano sistema solar en formación, denominado HD 181327, donde una joven estrella situada a unos 155 años luz de la Tierra aún permanece rodeada de los restos del proceso de formación planetaria: el denominado “disco de escombros”. La relevancia del hallazgo está en que esta es la primera vez que los astrofísicos constatan la presencia inequívoca de hielo de agua en un disco de escombros fuera del Sistema Solar. 

El hallazgo se publica en la revista Nature, en un artículo que firma un equipo internacional de astrofísicos liderado por Chen Xie, de la Universidad John Hopkins. La asturiana Noemí Pinilla-Alonso, del Instituto de Ciencias y Tecnologías Espaciales de Asturias (ICTEA) y beneficiaria del programa ATRAE del Ministerio, se incorporó a la investigación por su amplia experiencia en el estudio de los objetos helados del Sistema Solar. Sus conocimientos fueron relevantes para interpretación de los datos. Chen Xie comprobó, a la luz de las mediciones, la posible presencia de un disco de pequeños cuerpos helados, similar al que pudo dar origen al denominado cinturón de Kuiper, que se extiende más allá de la órbita de Neptuno. Por ello, contactó con la astrofísica asturiana dado su conocimiento para interpretar los datos de medición de este tipo de objetos.

La hipótesis de la presencia de hielo de agua en los discos de escombros de las estrellas se consideraba altamente probable desde hace años, pero hasta ahora no había constataciones claras. El telescopio James Webb se ha convertido en un aliado esencial. “Cuando era estudiante de posgrado hace 25 años, mi asesor me dijo que debería haber hielo ahí, pero antes de Webb no teníamos instrumentos lo suficientemente sensibles para estas observaciones”, afirma la astrofísica Christine Chen, una de las firmantes y astrónoma del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore.

Para entender qué es un disco de escombros conviene repasar brevemente cómo se forman los planetas.

Para entender qué es un “disco de escombros” se necesita conocer un poco cómo es la dinámica de formación de planetas alrededor de una estrella. 

Los sistemas solares nacen de una gran nube molecular, compuesta principalmente por hidrógeno y por pequeñas cantidades de elementos más pesados, como carbono, oxígeno, silicio o hierro, procedentes de las explosiones de supernovas en generaciones anteriores. Esta nube molecular sufre, por alguna perturbación gravitacional, un lento colapso, de modo que el material se concentra en un punto, generando una protoestrella, mientras que el resto de material permanece alrededor constituyendo un disco protoplanetario o de acreción, que está constituido por gas, polvo, hielo y elementos pesados. Ese disco dará origen a planetas, lunas, asteroides o cometas.

A medida que este disco evoluciona, conformando agregados cada vez más pesados y perdiendo el componente gaseoso, se generan pequeños objetos de varios kilómetros de diámetro, denominados planetesimales. La composición de esos planetesimales depende de la distancia a la que se encuentren de la estrella naciente. Así, en la zona más próxima se forman planetas rocosos (como son Mercurio o Venus); en una zona intermedia, más fría, puede existir agua líquida o vapor, como ocurre en La Tierra, en la zona más alejada, más allá de la llamada “línea de nieve”, el agua y otros componentes volátiles se congelan y se originan planetas helados y gigantes, como lo son los más alejados de nuestro Sol.

A medida que transcurren millones de años, la joven estrella ya ha conseguido crear varios planetas y los restos que no se han integrado en ellos conforman cinturones de escombros producidos por los choques entre planetesimales y material que no se ha incorporado al proceso de formación planetario. En nuestro Sistema Solar, en el cinturón de asteroides (entre Marte y Júpiter) o en el lejano cinturón de Kuiper.

HD 181327 era una vieja conocida, pero no se había mirado a fondo.

El sistema solar HD 181327 ha sido estudiado ya en anteriores ocasiones. Constituye un entorno planetario joven ideal para que los científicos evalúen cómo se formó nuestro Sistema Solar. La estrella es del denominado tipo F6 (es decir, ligeramente mayor en tamaño que nuestro Sol, más caliente y luminosa). Es muy joven, con una edad que ronda los 20 millones de años, frente a los 4.600 millones de años de nuestro Sol. Por tanto, su sistema planetario se encuentra en una etapa más primigenia. 

El disco de escombros fue ya detectado mediante observaciones realizadas por el interferómero ALMA (Chile) y el telescopio Hubble. Fue identificado en 2006, y ya quedaba clara su disposición espacial que apuntaba una similitud con el cinturón de Kuiper. Mediciones con el telescopio espacial Spitzer apuntaron la ausencia del disco de gas y la presencia de polvo en forma de partículas porosas de silicatos, a su vez sugería la posible presencia de hielo de agua, aunque los datos no permitían constatarla. Más tarde, con ALMA se halló presencia de monóxido de carbono gaseoso, un componente de alta volatilidad que en nuestro sistema solar se detecta como hielo solo en los cuerpos más fríos. 

Precisamente los trabajos desarrollados por la asturiana Noemí Pinilla-Alonso en la caracterización espectral de objetos del Sistema Solar ubicados más allá de Plutón, como Haumea o Sedna, la convirtieron en una experta en identificar las “huellas” del hielo en los espectros de luz.

La clave está en el pico de Fresnel: la huella inequívoca del hielo cristalino.

Una de esas huellas claras es el denominado “pico de Fresnel”, una firma inequívoca del hielo de agua cristalino. Se produce en las longitudes de onda en el entorno de los 3,1 micrómetros, dentro del infrarrojo. La luz, a esa longitud de onda, sufre fenómenos de refracción interna y reflexión cuando incide sobre superficies lisas y regulares de materiales que cuentan con un alto índice de refracción, lo que ocurre con el hielo de agua cristalizado. Ocurre además, cuando las partículas tienen un tamaño situado en el entorno del milímetro.

La presencia del “pico de Fresnel” ha permitido detectar hielo en los anillos de Saturno, en la superficie de la mayoría de los cuerpos helados del cinturón de Kuiper que contienen agua y en satélites congelados como Europa o Encélado.

La observación con el telescopio James Webb del disco de escombros de la estrella HD 181327 se hizo rastreando la emisión en el infrarrojo a diferentes distancias de la estrella. Así, el “pico de Fresnel” apareció en dos zonas: la situada a una distancia entre las 90 y 105 unidades astronómicas, y la existente a una distancia entre 105 y 120 unidades astronómicas (una unidad astronómica equivale a la distancia entre la Tierra y el Sol, unos 150 millones de kilómetros).

Las pistas permitieron a los científicos obtener dos conclusiones: en esas regiones externas existen granos de hielo cristalizado de tamaño considerable y, además, han sido liberados recientemente gracias a la colisión de otros cuerpos y se mantienen gracias a las condiciones de temperatura en esas zonas.

¿Por qué es importante este descubrimiento?

El hallazgo es relevante por diversos motivos. 

Primero, permite constatar lo que los modelos teóricos venían señalando desde hace décadas: que en los discos de escombros debería existir hielo. Varios estudios lo sugerían, pero existía hasta ahora una confirmación sólida y clara, garantizada por esa prueba irrefutable que constituye la detección del pico de Fresnel.

También reafirma que nuestro Sistema Solar no es ninguna casualidad extraña en el universo. La estrella HD 181327 es mucho más joven que nuestro sol y con una dinámica planetaria que no es exactamente igual, pero que sí conserva muchísimas similitudes. Nuestro cinturón de Kuiper no es tampoco una singularidad, sino un resto habitual en los procesos de formación de planetas. 

El hielo y, por tanto, el agua, es un elemento común en el universo. El hielo de agua está presente en los lejanos cuerpos helados de nuestro Sistema Solar, se detectó recientemente en exoplanetas y se ha detectado ahora entorno a una estrella situada a 155 años luz. Se comprueba que los procesos que favorecen la producción, distribución y destrucción de hielo de agua en sistemas planetarios son comunes.

Y un añadido importante: el agua, helada, en vapor o líquida, está presente en el proceso de formación planetaria, lo que intensifica la hipótesis de que la vida pueda estar presente en muchísimos planetas. En otros lugares del universo se producen procesos similares a los que permitieron la aparición de la vida en La Tierra: formación de planetas rocosos y el posible transporte de moléculas orgánicas y agua a estos planetas situados en zonas más cálidas gracias a cometas o asteroides. Donde hay agua, puede haber habitabilidad; y donde se producen procesos de colisión es probable que se produzcan reacciones químicas anteriores a la vida. 

Por último, confirma que el telescopio James Webs como una poderosa herramienta para explorar el universo. En palabras de Noemí Pinilla-Alonso, es “una máquina de deseos para la ciencia”, ya que transforma en datos y detecciones reales muchas hipótesis hasta ahora solo formuladas teóricamente. “Webb está tendiendo puentes entre escalas y etapas clave de la formación planetaria; desde el medio interestelar y las nubes moleculares, hasta los discos protoplanetarios, los exoplanetas y nuestro propio sistema solar”, destaca la científica de la Universidad de Oviedo