JWST está a rastrexar as orixes cósmicas da auga terrestre

Os astrónomos se preguntaban durante moito tempo como a Terra se converteu en rica en auga: abundante con océanos abisais, glaciares fríxidos e choiva que se derrama desde o ceo a lagos, ríos e zonas húmidas. A auga, que está composta polo primeiro e o terceiro elementos máis comúns do universo, é unha molécula enganosamente sinxela de formar. Porén, aínda que os detalles da súa entrega a planetas rochosos como o noso poden ser esenciais para comprender a prevalencia cósmica da vida, seguen sendo descoñecidos.

A auga é un medio potente para a ensamblaxe de moléculas orgánicas complexas e ofrece refuxios para a aparición e a posterior evolución da vida tal e como a coñecemos. No fondo da Terra, asegura a lubricación lítica que impide que a tectónica de placas que estabiliza o clima se deteña, outro mecanismo que podería ser crucial para a vida. E cando se conxela como xeo xoga un papel fundamental na formación do planeta ao proporcionar o pegamento que axuda a crecer aos mundos novos. Polo tanto, os científicos están ansiosos por comprender mellor as peregrinacións planetarias da auga: as vías que se necesitan para transformar os planetas de rochas desecadas en mundos tan empapados como a Terra.

Para obter máis información, os astrónomos están a utilizar o telescopio espacial James Webb (JWST) para mirar os discos protoplanetarios: os remolinos de gas e po arredor das estrelas novas onde os planetas se están formando activamente hoxe. Aínda que os astrónomos albiscaron auga dentro destes discos antes, a súa visión foi nebulosa. Por exemplo, o vapor de auga é visible para o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) -en moitos aspectos o observatorio de radio máis poderoso da Terra-, pero a instalación non pode detectar xeo de auga en gran medida. Isto bloquea as rexións exteriores dun disco protoplanetario do escrutinio de ALMA. A matriz tampouco pode sondar profundamente as rexións quentes e internas dos discos onde se forman os corpos terrestres. JWST, por outra banda, foi deseñado pensando en tales estudos e ten, literalmente—abriu as comportas. O novo observatorio espacial ofrece unha visión sen precedentes de como a auga pasa das nubes moleculares xigantes formadoras de estrelas aos discos protoplanetarios e, finalmente, aos planetas, con implicacións significativas para a astrobioloxía, incluíndo se o noso propio mundo acuático é dalgún xeito especial ou común.

Sobre o apoio ao xornalismo científico

Se che gusta este artigo, considera apoiar o noso xornalismo premiado por subscribindo. Ao mercar unha subscrición, estás contribuíndo a garantir o futuro das historias impactantes sobre os descubrimentos e as ideas que configuran o noso mundo actual.

“Con JWST é como de súpeto probas lentes novas e danche unha visión moito máis nítida”, di Andrea Banzatti, astrónomo da Universidade Estatal de Texas que estuda discos protoplanetarios.

A odisea cósmica da auga comezou centos de millóns de anos despois do Big Bang. Foi entón cando as primeiras estrelas, que se fusionaron furiosamente a través do seu almacén de hidróxeno para producir elementos máis pesados, irromperon en supernovas que sementaron o universo con osíxeno. Neste punto, un só átomo de osíxeno podería mesturarse con dous átomos de hidróxeno para formar unha molécula de auga, unha molécula que, nun ciclo cósmico de creación e destrución, aínda podería ser dividida de novo pola radiación de alta enerxía das estrelas e outras fontes astrofísicas. Porén, tarde ou cedo -sen dúbida miles de millóns de anos despois, nalgúns casos-, esa auga atopou o seu camiño cara aos fríos confíns das nubes moleculares, onde comezaría outro capítulo caótico e violento da súa viaxe. As nubes moleculares son grupos xigantes e fríos de po e gas conxelado que conteñen abundante xeo de auga e serven de berce para estrelas e planetas por igual. Cando parte dunha nube alcanza unha densidade crítica, a gravidade fai que esa rexión densa e aproximadamente esférica colapse nun disco protoplanetario aplanado e xiratorio cunha estrela nacente e brillante no seu centro. Gran parte deste proceso está escurecido polo po e resultou case imposible de probar, ata JWST. “Foi preciso a incrible sensibilidade de JWST para permitirnos captar os poucos fotóns que atravesan e, polo tanto, caracterizan os grans xeados xusto antes do inicio da formación de estrelas e planetas”, di Karin Öberg, astrónoma da Universidade de Harvard.

A partir de aí, a estrela en crecemento aliméntase do material que chove dende o seu disco envolvente, creando máis luz e calor, e potencialmente rompendo as moléculas de auga do disco para eliminar a humidade que doutro xeito tería fluído aos mundos. Se este proceso ocorre con demasiada eficiencia, o resultado serían galaxias cheas de sistemas planetarios resecos, e quizais non esteamos aquí, que é en gran parte polo que a maioría dos científicos sospeitan que isto non pode ser o caso. Dalgún xeito, a auga debe pasar ilesa de plácidas nubes moleculares a través de discos de formación de estrelas.

En 2021 John Tobin, un astrónomo do Observatorio Nacional de Radioastronomía, e outros utilizaron ALMA para observar V883 Orionis, unha protoestrela envolta de discos situada a 1.305 anos luz da Terra que é só lixeiramente máis masiva que o noso sol pero que brilla aproximadamente 200 veces máis. O resplandor da protoestrela quenta o fríxido disco exterior, transformando o xeo en vapor de auga que se converte nun faro para a radiovisión de ALMA. Foi un descanso afortunado. O equipo de Tobin viu altas proporcións de auga semipesada, na que o isótopo de hidróxeno máis pesado, o deuterio, substitúe a un dos dous átomos de hidróxeno máis lixeiros e estándar dunha molécula de auga. Dado que a auga semipesada só pode formarse en temperaturas frías -e non as altas temperaturas directamente asociadas á formación estelar-, as súas orixes ao redor de V883 Orionis deben remontarse á propia nube molecular, o que suxire que a auga pasara polo proceso de formación estelar sen cambios. De feito, a proporción de auga semipesada a auga normal que Tobin e os seus colegas observaron coincidía perfectamente coa proporción observada noutras nubes moleculares. Tamén coincidiu coa proporción que se atopa nos cometas do noso sistema solar, o que indica que a auga pode chegar a mundos rochosos.

Os astrónomos pensan actualmente que os planetas terrestres poden gañar auga de tres formas diferentes. Podería ser que a auga estea aí dende o principio, encerrada entre grans de po que son os bloques de construción dos propios planetas. Ou quizais os planetas en crecemento extraen vapor de auga directamente do gas do disco primordial, permitindo que a gravidade constrúa unha atmosfera húmida ao redor do seu núcleo rochoso. Ou quizais unha vez que os planetas se formaron, engurran auga importada a través de restos de restos xeados que caen de rexións afastadas do sistema planetario. Os resultados de Tobin suxiren que esta última vía xoga un papel destacado pero que os cometas e meteoritos que transportan auga non funcionan sós. A auga na Terra ten unha proporción de auga semipesada a auga normal lixeiramente menor que a que se atopa nos cometas, o que significa que, aínda que gran parte da auga do noso planeta chegou das terras xeadas do interior do sistema solar exterior, algunhas deben estar expostas a altas temperaturas preto do sol. Con todo, o que parece esa exposición segue a ser unha cuestión aberta.

Para atopar respostas, Öberg quere construír un mapa cósmico, sinalando as localizacións da auga ao redor destes novos discos protoplanetarios para ver onde está dispoñible para alimentar calquera mundo en formación. ALMA xa debuxou unha imaxe borrosa e JWST comeza a cubrir os ocos con detalles espectaculares. O pasado mes de abril Sierra Grant, astrónoma do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemaña, e os seus colegas utilizaron JWST para observar auga nun disco que antes parecía seco, demostrando a notable capacidade do observatorio espacial para extraer novas ideas incluso de sistemas ben estudados. “Estamos realmente nunha nova era con JWST”, di Grant. “É notable que puidésemos detectar cousas que antes non podíamos detectar”.

En agosto pasado Giulia Perotti, astrónoma do Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg, Alemaña, e outros detectaron vapor de auga no PDS 70, o único disco protoplanetario que aínda se sabe que alberga non un senón dous planetas xigantes. A súa presenza probablemente significa que os planetas terrestres tamén se están unindo dentro do disco interno, no lugar preciso onde os astrónomos atoparon auga. “Esta é a primeira vez que detectamos vapor de auga nas rexións centrais de a aloxamento de planetas “, di Perotti. Observacións anteriores mostraran que non hai auga en absoluto, o que non era sorprendente, dado que a auga tería dificultades para sobrevivir á intensa radiación tan preto da estrela. Agora os astrónomos saben que pode e que pode simplemente aparecer nas atmosferas dos planetas a medida que medran, en lugar de chegar a planetas secos a través da maioría dos visitantes terrestres. naceu rico, cunha abundancia de auga dende o primeiro momento.

Iso por si só podería ser un problema, di Öberg, que podería levar a mundos que o son tamén rico en auga. Actualmente, os científicos pensan que os mundos oceánicos terán dificultades para crear vida, pero un planeta con continentes salpicados de lago terá moita mellor sorte. Isto débese a que moitas das reaccións consideradas cruciales para a química prebiótica e o aumento de sistemas químicos complexos proceden de forma moito máis eficiente en estanques pequenos e concentrados que en océanos expansivos e diluídos. Ademais, os minerais que se erosionan dos continentes engadirán nutrientes cruciais á auga. Pero para saber con que frecuencia o universo constrúe orbes terraceos como a Terra, Öberg argumenta que primeiro necesitamos comprender os novos discos protoplanetarios, completando ese mapa cósmico, que mostra non só a localización da auga ao redor destes discos, senón tamén como flúe dun lugar a outro.

Sen embargo, non quedou claro como a auga derrama desde a xeada rexión exterior do disco cara a dentro, especialmente no PDS 70, onde hai un gran espazo entre os discos externo e interno. En novembro pasado Banzatti, Öberg e outros observaron vapor de auga dentro da liña de neve do sistema, a rexión de transición onde as temperaturas cambiantes transforman a auga de sólida a líquida ou gasosa. Isto confirmou un proceso físico polo cal a auga migra cara ao interior. Hai corenta anos, os astrónomos postularon que o xeo de auga no disco externo derivaría cara ao interior sobre un material sólido máis resistente -grans de po e os chamados guijarros xeados que varían en tamaño desde uns poucos milímetros ata uns poucos metros- ata sublimarse na liña de neve nunha gran néboa de vapor de auga. Esa é a sinatura precisa que observou Banzatti. “Isto é exactamente o que se esperaba nesta teoría fundamental da formación planetaria, este escenario de ‘deriva de guijarros’ que debería alimentar a formación de [terrestrial planets] e incluso entregar auga”, di Banzatti. “A partir dese pequeno sinal podemos construír unha fermosa historia”. E ten implicacións para o PDS 70. Perotti sospeita que este mecanismo levaba a auga cara ao interior antes da brecha formada entre as rexións externa e interna do disco do sistema. Ou podería ser que a auga continúe migrando pola brecha aínda agora, aínda que sobre un po xeado de tamaño de micras moito máis pequeno aínda non visto. Este po, xunto con algunhas moléculas de auga, pode actuar como un escudo protector, evitando que moitas moléculas de auga se rompan.

O mapa cósmico de Öberg é cada vez máis detallado, con vastos depósitos atopados en moitas rexións de discos protoplanetarios, o que suxire que a auga pode fluír cara a mundos rochosos de infinidade de formas. Pero aínda así, os astrónomos non saben se un escenario ten a vantaxe. “Nesta fase da nosa investigación, non estamos na posición de ser exclusivos”, di Perotti. No PDS 70, por exemplo, podería ser que estes planetas terrestres perdan parte da auga que están facilmente dispoñibles para eles, confiando en asteroides para repoñela máis tarde. Observacións futuras deberían arroxar luz sobre a vía dominante, que pode cambiar dependendo de certas características do sistema planetario.

Grant, por exemplo, está ansioso por ver como escala a dinámica da auga coa masa estelar. Ata agora, as estrelas de gran masa parecen estar na súa maioría secas^⁠ mentres que as estrelas máis pequenas e máis parecidas ao sol parecen estar relativamente encharcadas, pero Grant quere saber o que é típico para algunhas das estrelas máis diminutas. Chamadas ananas M, estas estrelas son débiles, o que significa que os planetas que as rodean deben estar nunha órbita próxima para ser o suficientemente quentes para a vida, unha peculiaridade que as fai relativamente fáciles de investigar para os cazadores de planetas usando JWST e outros telescopios. O seu disco protoplanetario pareceu desde hai tempo pobre en auga, pero os datos novos agora suxiren o contrario. En decembro pasado Banzatti, Öberg e os seus colegas publicaron un estudo que detallaba o primeiro caso dun disco rico en auga ao redor dunha estrela anana M. Grant planea investigar aínda máis esta cuestión explorando tantas estrelas pequenas como poida. Mentres tanto, a análise en curso de Banzatti das liñas de neve de 30 sistemas diferentes xa está a revelar que os discos pequenos e compactos envían 10 veces máis auga cara ás súas rexións internas que os discos grandes, estendidos e cheos de ocos. A viaxe cósmica da auga está, por fin, enfocada.

“É moi emocionante ver estes resultados xuntándose”, di Tobin. “É un momento asombroso de descubrimento, pero realmente só rascamos a superficie do que hai”.