Un avance científico del Telescopio Espacial James Webb abre un nuevo capítulo en la comprensión de cómo se forman las lunas alrededor de planetas jóvenes y masivos, y en el proceso, nos transporta a la época en que nacía nuestro Sistema Solar.

El centro de atención es el joven sistema CT Chamaeleontis en la constelación de Camaleón, a aproximadamente 625 años luz de la Tierra. Dentro de este sistema se encuentra CT Cha b, un objeto similar a un planeta en una órbita amplia que está rodeado por un denso disco de gas y polvo, una cinta de material que, según las principales teorías, se condensa para formar lunas mientras el planeta aún se está formando. Las últimas observaciones de Webb en el modo MIRI/MRS proporcionan por primera vez características químicas y físicas directamente medibles de este disco circumplanetario, separando la luz del planeta del resplandor de la joven estrella.

Por qué este disco es especial

A diferencia de los discos protoplanetarios que rodean a las estrellas y de los que nacen los planetas, los discos circumplanetarios son reservorios locales de material dentro del dominio gravitacional de un joven gigante gaseoso. Fue precisamente un entorno así la cuna de los satélites galileanos de Júpiter –Ío, Europa, Ganimedes y Calisto– que crecieron hace más de cuatro mil millones de años a partir de un anillo de gas y polvo alrededor de un joven Júpiter. Observar un ejemplo actual de tal "sitio de construcción de lunas" significa obtener una ventana a la historia temprana del Sistema Solar.

El análisis de Webb muestra que el disco alrededor de CT Cha b es extremadamente rico en moléculas de carbono. En la región del infrarrojo medio, se identificaron "huellas" espectrales de acetileno (C₂H₂), benceno (C₆H₆) y varios otros compuestos de carbono, mientras que al mismo tiempo, en el disco estelar más grande alrededor de la joven estrella, se registraron líneas de agua sin indicaciones claras de una química de carbono similar. Este contraste sugiere una evolución química muy rápida y localmente distinta ya dentro de los primeros ~2 millones de años de vida del sistema.

Geometría del sistema y separación de la luz

La joven estrella CT Cha tiene solo unos 2 millones de años y todavía está absorbiendo materia de su propio y extenso disco. Sin embargo, CT Cha b orbita fuera de este bullicioso sitio de construcción, a una distancia espacial estimada de aproximadamente 74 mil millones de kilómetros (lo que corresponde a unas ~495 unidades astronómicas). A esta escala, el compañero planetario y su disco forman un laboratorio químico separado. El hecho de que Webb lograra aislar la sutil señal del disco de la intensa luz de fondo de la joven estrella subraya el poder de combinar una alta resolución angular y una espectroscopia de resolución media.

Para extraer la luz de CT Cha b del resplandor ambiguo, los investigadores utilizaron métodos de alto contraste y una cuidadosa descomposición de la función de dispersión de punto (sustracción de PSF). De esta manera, se reconstruyó un espectro infrarrojo puro del cual se pueden leer las firmas químicas del disco.

Lo que nos revela la química: los componentes básicos de futuras lunas

La presencia de acetileno y benceno no es solo una nota exótica al pie: se trata de precursores de moléculas orgánicas más complejas. En entornos donde hay radiación ultravioleta, gradientes térmicos y colisiones de granos de polvo, dichos hidrocarburos pueden participar en la polimerización y la formación de HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos), pero también pueden desencadenar la carbonatación y reestructuración del hielo en las superficies de los granos. Todo esto cambia la adherencia y la aerodinámica de las partículas, acelera las colisiones que conducen al crecimiento y ayuda a la formación de cuerpos más grandes, desde granos milimétricos hasta lunulas de kilómetros de tamaño.

Por el contrario, el espectro rico en agua del material en el disco estelar indica una zona termoquímica y una fuente de suministro de gas diferentes. Esto implica que las lunas alrededor de CT Cha b, si realmente se forman, pueden desarrollar una proporción de hielo a roca diferente de la que esperaríamos solo de las condiciones en el disco estelar más grande. Los dos satélites galileanos más lejanos, Ganimedes y Calisto, hoy contienen hasta un 50% de agua en forma de hielo, un ejemplo de cómo la química del disco define las capas internas y la evolución a largo plazo de las lunas.

MIRI/MRS: cómo Webb "oye" las moléculas

El instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) en el telescopio Webb cubre un rango de longitudes de onda donde las excitaciones vibracionales-rotacionales de las moléculas dejan "líneas" reconocibles. En el modo de Espectrógrafo de Resolución Media, MIRI ofrece un equilibrio entre la nitidez espectral y la sensibilidad, lo que permite la detección de líneas débiles incluso cuando se encuentran junto a fuentes mucho más fuertes. Para CT Cha b, esto significó que las firmas características de absorción/emisión de los hidrocarburos se aislaron de la luz de fondo de la estrella, seguido de una comparación con bibliotecas espectrales y modelos informáticos que describen discos gaseosos y atmósferas protoplanetarias.

Tal "tomografía química" no solo nos dice qué está presente, sino también dónde se encuentran ciertas moléculas dentro del disco. Por ejemplo, los cinturones internos más cálidos son más favorables para el acetileno y el benceno, mientras que el vapor de agua y el CO₂ se retienen más fácilmente en zonas un poco más frías o en las superficies de las partículas en forma de hielo. Esta distribución interna está directamente relacionada con el perfil de temperatura, las tasas de acreción y la mezcla turbulenta en el disco.

Evolución rápida a una edad temprana del sistema

La edad del sistema de unos 2 millones de años resalta cuánto cambia la química en cortos intervalos cósmicos. Durante este período, el polvo se aglutina, se forman planetesimales y el disco pierde gas lentamente debido a la fotoevaporación y la acreción sobre el objeto central. El hecho de que al mismo tiempo el disco estelar muestre trazas pronunciadas de agua, mientras que el disco alrededor del planeta está dominado por hidrocarburos, apunta a diferentes fuentes de suministro de material y diferentes entornos UV que "cocinan" la química de maneras opuestas.

Lo que nos dicen la distancia y la disposición

CT Cha b y su estrella están separados por unos 74.000.000.000 km, una cifra que, convertida a unidades astronómicas, es de aproximadamente 495 UA. En comparación, Plutón orbita alrededor del Sol a un promedio de unas 39 UA. Una separación tan grande simplifica la observación, pero también plantea preguntas sobre su formación: ¿se formó CT Cha b como un planeta en una órbita amplia dentro del disco estelar, o está más cerca de un escenario de enana marrón o "estrella fallida"? La respuesta reside precisamente en la composición química y la cinemática del disco que lo rodea.

Implicaciones para la habitabilidad de las lunas

Si realmente se forman lunas alrededor de CT Cha b, su inventario químico inicial estará teñido por una abundancia de carbono. Esto podría significar una abundancia de precursores orgánicos que, cuando lleguen a las superficies en forma de hielo o a océanos subterráneos, podrían servir como moneda energética y química para procesos prebióticos. En el Sistema Solar, las misiones a Europa y Encélado están motivadas precisamente por la búsqueda de los componentes químicos básicos de la vida en las lunas que se formaron.