Cuando Galileo Galilei, un matemático de la Universidad de Padua, apuntó al cielo con un catalejo de su propia creación, quedó abrumado con lo que vio: más de 500 nuevas estrellas en la constelación de Orión, además de las tres conocidas en la visión del cazador. cinturón y seis en la espada.

En octubre, los astrónomos utilizaron el telescopio espacial James Webb para acercarse a una de las estrellas del medio en la espada e identificaron otros 500 puntos nunca antes vistos. Los mundos son tan pequeños y oscuros que desdibujan la línea entre estrella y planeta. Es una ambigüedad que atormentó a Galileo, quien se refirió a las lunas de Júpiter como “estrellas” y “planetas” en la misma página de su tratado astronómico de 1610, y que continúa preocupando a los astrónomos en la actualidad.

“Cuando miramos el sistema solar, todo es bonito y ordenado. Obtienes el sol y obtienes planetas”, dijo samuel pearson, astrónomo de la Agencia Espacial Europea (ESA). No hay nada en el medio. Pero "cuando realmente vas y echas un vistazo", dijo Pearson, "te das cuenta de que hay un espectro completo de [objetos con] básicamente todas las masas intermedias".

La observación del JWST refuerza un catálogo cada vez mayor de objetos aislados que ocupan esta zona gris entre planetas gigantes y estrellas diminutas. A veces llamados planetas “flotantes libres” o “rebeldes”, estos mundos solitarios flotan libremente por el espacio. Si bien los astrónomos pueden estimar la masa de estas oscuras bolas de gas con la masa de Júpiter, sus orígenes siguen siendo un misterio. ¿Son realmente planetas, “Júpiters”, que alguna vez orbitaron alrededor de estrellas pero que de alguna manera fueron escupidos? ¿O son más bien microestrellas que no lograron encenderse?

En lugar de responder a esta pregunta, la observación del JWST aumenta el misterio: el ojo infrarrojo del telescopio descubrió que docenas de mundos parecen estar en pares orbitando entre sí, una disposición desconcertante que, si se confirma, desafiaría las expectativas.

“Nos falta algo”, dijo Nienke van der Marel, un investigador que estudia la formación de planetas en el Observatorio de Leiden en los Países Bajos, "y no sabemos qué es".

Estos improbables dúos no pueden explicarse fácilmente mediante ninguna teoría conocida de formación de estrellas o planetas que floten libremente. Pero una semana después del anuncio del JWST, los investigadores publicaron una nueva y atrevida idea que describe cómo los planetas gigantes podrían ser expulsados ​​de su sistema de origen en pares, un evento que la mayoría de los investigadores habían pensado casi imposible. Queda por ver si la propuesta puede explicar plenamente todo el zoológico de mundos oscuros y sin estrellas. Pero los investigadores esperan tener a mano una comprensión refinada de los mundos que flotan libremente y de los sistemas estelares que los crean.

"Si efectivamente [este descubrimiento] se confirma", dijo Peter Plavchan, astrofísico de la Universidad George Mason que no participó en la detección de los pares de Júpiter, “será realmente innovador”.

Mundos oscuros por todas partes

Los mundos que flotan libremente escaparon a la atención de los astrónomos durante siglos porque son extremadamente oscuros. Para fusionar hidrógeno y brillar intensamente, las estrellas deben tener al menos 80 veces la masa de Júpiter. Los mundos rebeldes son mucho más livianos y comúnmente se definen como que pesan menos de 13 Júpiter. (Cualquier cosa entre 13 y 80 Júpiter puede fusionar una variante más pesada de hidrógeno y se clasifica como una enana marrón, o lo que los astrónomos a veces llaman románticamente una “estrella fallida”).

De hecho, la relativa invisibilidad de los planetas en libertad alguna vez llevó a algunos astrofísicos a preguntarse si podría haber suficientes objetos de este tipo para explicar la materia oscura, la masa no identificada que parece mantener unidas a las galaxias. Esta pregunta motivó a los astrónomos a buscar signos de tales mundos en la década de 1990, lo que hicieron buscando las formas sutiles en que su gravedad distorsionaría la apariencia de las estrellas por las que habían pasado. La naturaleza indirecta de estos estudios de "microlentes" no era adecuada para identificar objetos individuales que flotaban libremente, pero demostraron que no había suficiente material para formar la materia oscura.

Las primeras imágenes de mundos rebeldes aparecieron en la década de 2000, cuando los astrónomos detectaron unos pocos objetos todavía brillando en luz infrarroja por el calor de su formación. Sobre la base de esas observaciones, surgió un posible origen. En 2010, astrofísicos incluidos Sean Raymundo en la Universidad de Burdeos en Francia simuló la evolución de los sistemas planetarios y descubrió que cuando un planeta gigante gaseoso expulsa a un hermano de su sistema natal, como sucede a veces, la expulsión estira la órbita del superviviente en una elipse. Los astrónomos habían visto estas órbitas sesgadas, que el grupo de Raymond y otros investigadores interpretaron como cicatrices de traumas interplanetarios pasados.

El primer catálogo sustancial de mundos flotantes no provino de cazadores de planetas sino de cazadores de estrellas que buscaban objetos parecidos a estrellas con un peso incluso menor que las enanas marrones. Nuria Miret Roig de la Universidad de Viena y Hervé Bouy de la Universidad de Burdeos buscaban la más pequeña de las enanas marrones en la constelación de Escorpio, que alberga una nebulosa gaseosa que produce muchas estrellas y planetas. En medio de más de 26 millones de pinchazos de luz infrarroja en 80,000 imágenes, buscaron objetos tenuemente brillantes que se movían a través de su campo de visión en observaciones que abarcaron 20 años. En 2021, anunciaron que habían encontrado una recompensa de alrededor de 100 objetos candidatos entre 4 y 13 masas de Júpiter, lo que aumenta el número de mundos rebeldes conocidos en aproximadamente un factor de cinco.

Con algo más que un puñado de objetos flotantes para analizar, los investigadores podrían comenzar a plantear preguntas básicas sobre el origen de estos mundos. Una posibilidad era que se hubieran fusionado a partir de los detritos en forma de disco que rodean a una estrella recién nacida, como hacen los planetas. Y luego, un encuentro casual con un vecino los había expulsado, al estilo de las simulaciones de Raymond de 2010.

La segunda posibilidad era que se hubieran formado solos, cuando una nube aislada de hidrógeno y helio se volvió lo suficientemente densa como para colapsar formando una bola. Así es como nacen las estrellas, y haría que estos mundos se parecieran menos a planetas y más a las enanas marrones más pequeñas de la galaxia.

Miret Roig y Bouy concluyeron que sus candidatos probablemente contenían mundos que se habían formado en ambos sentidos. Los objetos más ligeros probablemente eran planetas lanzados por el agua, aunque los astrónomos habían encontrado demasiados para explicarlos fácilmente utilizando únicamente modelos de eyección planetaria.

"Hay muchos planetas que flotan libremente", dijo Miret Roig, "y probablemente se formen mediante mecanismos diferentes".

Parecía probable una mezcla de ambos orígenes. Pero los investigadores no pudieron decir cuántos de los 100 mundos que flotaban libremente eran planetas y cuántos tenían forma de estrellas.

Tres días después de que Miret Roig y Bouy publicaran sus resultados, JWST lanzado, junto con una nueva era para la caza de planetas flotantes.

Gotas de Júpiter

Los astrónomos habían sospechado que JWST sería una máquina de búsqueda de planetas flotante. Se encuentra mucho más allá de la interferencia de la atmósfera terrestre. Su espejo gigante le da mucha más sensibilidad a las características finas del universo que su predecesor, el Telescopio Espacial Hubble. Y capta luz infrarroja, lo que lo hace perfecto para detectar mundos que brillan tenuemente.

Pearson se asoció con Mark McCaughrean, un astrónomo de la ESA, para buscar mundos flotantes más profundamente de lo que había sido posible hasta ahora. Estaban fascinados por la formación de estrellas y planetas, y querían apuntar a objetos, como enanas marrones, en la “caótica zona gris” entre ambas. Allí, “se obtiene el cruce de ambos mundos”, dijo Pearson. En octubre de 2022, Pearson y McCaughrean hicieron girar el telescopio espacial hacia una estrella central en la espada que colgaba del cinturón de Orión. Durante 35 horas.

Pearson tardó meses en alinear los 12,500 resultados Imágenes JWST de la nebulosa de Orión, píxel a píxel. La formidable tarea se vio frustrada por la exquisita sensibilidad del telescopio: muchos de los objetos débiles que normalmente se utilizan como puntos de referencia cegaron el ojo ultrasensible del JWST.

"Las enanas marrones, que normalmente son difíciles de ver, estaban borrando fragmentos del detector", dijo. "Simplemente no es un problema que haya encontrado con ningún otro telescopio".

Después de completar el mosaico cósmico, Pearson fue recompensado con una gran cantidad de mundos misteriosos que buscaba: más de 500 objetos flotantes de algunas masas de Júpiter salpicaban la nebulosa de Orión. Pero la verdadera sorpresa fue que, cuando miró de cerca, vio algo que inicialmente no tenía mucho sentido. Algunas de las manchas de luz eran pares de objetos con la masa de Júpiter. En total, contó 42 pares de Júpiter girando, una cifra sorprendente.

"Espera, ¿por qué hay todas estas cosas débiles en pares?" Pearson recordó haberse preguntado. “Entonces cayó la moneda y nos dimos cuenta de que debíamos analizar esto con mucho cuidado”.

Desde una perspectiva teórica, estos dúos parecían casi imposibles. Era poco probable que fueran planetas lanzados; Cuando un planeta expulsa a otro de un sistema estelar, el planeta expulsado casi siempre sale volando solo. Pero tampoco podían ser estrellas, ya que muchas de ellas pesaban tan poco como un solo Júpiter: una masa demasiado liviana para que el objeto se hubiera formado directamente a partir de una nube de gas en colapso. El equipo denominó a sus misteriosos dúos Objetos binarios de masa de Júpiter, o JUMBO para abreviar, y los describió en una preimpresión publicado el 2 de octubre.

Los JUMBO cogieron desprevenidos a los expertos en formación de estrellas y planetas. “Esto no se había previsto en absoluto. No existen teorías en las que hubiéramos esperado estos grandes objetos planetarios que flotan libremente en estas cantidades”, dijo mateo bate, astrofísico de la Universidad de Exeter especializado en formación estelar.

Los astrónomos habían observado anteriormente que, aunque muchas estrellas masivas giran en el espacio con parejas, el porcentaje de estrellas acopladas disminuye con su masa. "Normalmente esperamos que las tendencias continúen", dijo van der Marel. Por lo tanto, dijo, el porcentaje de objetos con la masa de Júpiter en pares "debería llegar a cero". Saltar hasta el 10% no había estado en la tarjeta de bingo JWST de nadie.

El problema es que al menos algunos de los JUMBO probablemente sean espejismos. Cuanto más profundo se encuentre un objeto en un ambiente polvoriento (y la nebulosa de Orión es extremadamente polvorienta), más difícil será distinguirlo de una estrella distante y más masiva detrás de la nebulosa, de la que se esperaría que tuviera una compañera. En estudios anteriores, entre el 20% y el 80% de lo que parecían mundos flotantes resultaron ser estrellas vainilla. "Hay que ser un poco cautelosos en este momento", dijo Miret Roig.

En la primavera, Pearson y McCaughrean utilizarán JWST para observar nuevamente su lote de mundos flotantes, esta vez en un espectro de colores más rico. Estas observaciones de seguimiento ayudarán a confirmar qué JUMBO son reales al buscar rastros de metano o agua en sus atmósferas, una firma reveladora de los mundos con masa de Júpiter.

"Una vez que tienes los espectros", dijo Pearson, "básicamente no hay lugar donde esconderse".

Simulaciones rápidas

Incluso sin confirmación, los teóricos ya se apresuran a explicar estos mundos desconcertantes.

rosalba perna, astrofísica de la Universidad de Stony Brook, se enteró de los JUMBO de Orión en las noticias, incluso antes de leer el artículo de Pearson. Perna y yihan wang de la Universidad de Nevada, Las Vegas, había estado estudiando lo que sucede cuando una estrella pasa cerca de otro sistema solar. Se habían centrado principalmente en simular sistemas con un único planeta gigante. Pero los JUMBO hicieron que Perna se preguntara: ¿Qué pasaría si hubiera dos planetas gigantes? Llamó a Wang y le pidió que viera qué pasaría si metiera un segundo Júpiter en las simulaciones.

Wang creó su programa para lanzar estrellas digitales a innumerables sistemas estelares formados por dos Júpiter desde todos los ángulos. También configuró el software para que le notificara si la estrella "intrusa" enviaba a ambos planetas juntos hacia el espacio, creando un JUMBO. Luego envió el código a un grupo informático de su universidad y se fue a almorzar.

Cuando Wang regresó a su oficina y revisó su computadora, encontró una lista de alertas que decía "¡¡¡planeta binario formado!!!"

A partir de decenas de miles de millones de simulaciones, el equipo vio que arrancar pares de Júpiter era relativamente fácil si los planetas estaban bastante juntos cuando la estrella merodeadora pasaba. Esto sucedió especialmente a menudo en el caso de vecinos con órbitas muy espaciadas (pensemos en Urano y Neptuno). En tales casos, hasta 20 de cada 100 eyecciones produjeron JUMBO (las otras 80 produjeron planetas individuales), más que suficiente para explicar la tasa del 10% que Pearson había observado en Orión. Pero en el caso de los planetas con órbitas más distantes (pensemos en Júpiter-Neptuno), casi todas las eyecciones resultaron en planetas solitarios.

Con aportaciones del colega de Wang Zhaohuan Zhu, el grupo trabajó las veinticuatro horas del día (y en un caso durante un vuelo a Europa). El trío escribió sus resultados y publicó una preimpresión el 9 de octubre, una semana después del hallazgo de JUMBO.

"La velocidad a la que escribieron eso es un poco aterradora", dijo Pearson.

Otros astrofísicos teóricos aún tienen que digerir completamente los nuevos resultados, pero los encuentran plausibles y sorprendentes. "No pensé que [crear un par de planetas flotantes] fuera posible desde el punto de vista de la eyección", dijo Raymond. "Pero entonces salió este documento".

Aún así, será necesario estudiar más a fondo algunos detalles de la teoría del intruso estelar. La nebulosa de Orión es un lugar denso con muchas estrellas girando a su alrededor, pero ¿es lo suficientemente caótica como para formar primero sistemas solares y luego fragmentarlos, todo en unos pocos millones de años? Además, muchos de los JUMBO de Pearson y McCaughrean orbitan entre sí a grandes distancias; están varias veces más lejos uno del otro que Plutón de la Tierra. Pero según las simulaciones de Wang, la única manera de obtener JUMBO tan espaciados es comenzar con sistemas solares igualmente espaciados, que los astrónomos rara vez ven.

"Sabemos, gracias a las búsquedas directas de imágenes de estrellas jóvenes, que muy pocas estrellas tienen planetas gigantes en órbitas [amplias]", dijo Bate. "Es difícil aceptar que hubiera muchos sistemas planetarios grandes en Orión que desmantelar".

Abundan los objetos rebeldes

En este punto, muchos investigadores sospechan que hay más de una forma de crear estos extraños objetos intermedios. Por ejemplo, con un poco de manipulación, los teóricos podrían descubrir que las ondas de choque de las supernovas pueden comprimir nubes de gas más pequeñas y ayudarlas a colapsar en pares de estrellas diminutas más fácilmente de lo esperado. Y las simulaciones de Wang han demostrado que arrancar planetas gigantes en pares es, al menos en algunos casos, teóricamente inevitable.

Si bien quedan muchas preguntas, la multitud de mundos flotantes descubiertos en los últimos dos años ha enseñado a los investigadores dos cosas. En primer lugar, se forman rápidamente: a lo largo de millones de años, en lugar de miles de millones. En Orión, las nubes de gas colapsaron y se formaron planetas, y algunos, tal vez, incluso fueron arrastrados al abismo por el paso de las estrellas, todo durante el tiempo en que los humanos modernos estaban evolucionando en la Tierra.

"Formar un planeta en 1 millón de años es difícil con los modelos actuales", dijo van der Marel. "Este [descubrimiento] agregaría otra pieza a ese rompecabezas".

En segundo lugar, hay un montón de mundos libres por ahí. Y los gigantes gaseosos pesados ​​son los más difíciles de expulsar de sus sistemas, de la misma manera que una bola de bolos sería el objeto más difícil de derribar de una mesa de billar. Esta observación sugiere que por cada Júpiter observado, numerosos Neptunos y Tierras que flotan libremente pasan desapercibidos.

Probablemente vivamos en una galaxia repleta de mundos desterrados de todos los tamaños.

Ahora, casi medio milenio después de que Galileo se maravillara ante los innumerables puntos de luz (lunas, planetas y estrellas) en los cielos de la Tierra, sus sucesores se están familiarizando con la punta más brillante del iceberg de objetos más oscuros a la deriva entre ellos. Las estrellas diminutas, los mundos sin estrellas, los asteroides invisibles, los cometas alienígenas y más.

"Sabemos que hay un montón de basura entre las estrellas", dijo Raymond. Este tipo de investigación está “abriendo una ventana a todo eso, no sólo a los planetas que flotan libremente sino a las cosas que flotan libremente en general”.

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