Por Canuto  

El telescopio James Webb detectó hielo de agua y dióxido de carbono en el disco de Beta Pictoris. La composición y la estructura amorfa del hielo apuntan a que parte de este material se formó en el medio interestelar, antes de que los planetas del sistema comenzaran a tomar forma.
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  • El disco de Beta Pictoris contiene hielo de agua mezclado con dióxido de carbono, en proporciones comparables a las observadas en cometas del Sistema Solar.
  • El estudio calcula que menos del 7% del hielo de agua es cristalino y plantea que el material pudo formarse en el medio interestelar.
  • Colisiones entre planetesimales helados podrían reponer el hielo que la radiación ultravioleta de la estrella destruye.

El telescopio espacial James Webb encontró hielo de agua y dióxido de carbono en el disco que rodea a Beta Pictoris, una estrella de unos 20 millones de años situada a 64 años luz de la Tierra. La composición y el estado del hielo sugieren que parte del material pudo formarse en el medio interestelar, antes de que los planetas del sistema comenzaran a tomar forma. El resultado ofrece pistas sobre los ingredientes disponibles en las etapas tempranas de la formación planetaria.

El estudio, liderado por Sarah Betti, astrónoma del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, también ayuda a explicar por qué ese hielo puede persistir en un entorno expuesto a la radiación de una estrella joven. Los investigadores encontraron que el agua y el dióxido de carbono están mezclados, y que el hielo de agua es casi completamente amorfo, una estructura desordenada semejante al vidrio. La investigación apareció en la revista Science.

Un disco joven bajo observación

Beta Pictoris es uno de los sistemas planetarios jóvenes más estudiados y está rodeado por un disco de polvo y escombros donde todavía se forman planetas. Los astrónomos ya han identificado tres planetas allí, mientras que el disco, visto casi exactamente de canto desde la Tierra, permite observar material que permanece alrededor de la estrella. Su edad y configuración hacen de este sistema un laboratorio natural para estudiar cómo se organizan los componentes de nuevos mundos.

El disco fue uno de los primeros de este tipo en ser fotografiado, en 1984. Se considera un disco de escombros porque el polvo que contiene se repone constantemente cuando chocan cometas y planetesimales, cuerpos pequeños que funcionan como bloques de construcción planetarios. En sus regiones externas, alejadas de la estrella, las temperaturas permiten que el agua y otras moléculas volátiles se congelen y permanezcan como hielo sólido.

La presencia de hielo era una posibilidad respaldada por varias señales indirectas, aunque las búsquedas anteriores no habían logrado detectarlo. El disco contiene una gran reserva de gas de monóxido de carbono, que la radiación ultravioleta de la estrella debería destruir en un plazo de entre 50 y 300 años. Para explicar que el gas siga allí, los investigadores consideran probable que cuerpos ricos en volátiles lo liberen al colisionar.

Las propiedades del planeta Beta Pictoris b también apuntan a una formación a partir de material rico en hielo. Sin embargo, los intentos previos de encontrar vapor de agua no dieron resultado y tampoco se detectó la señal característica del hielo de agua a 3 micrómetros. Los modelos teóricos ofrecían una explicación posible: los granos pequeños de hielo puro podrían ser destruidos por la radiación ultravioleta más rápido de lo que las colisiones logran reponerlos.

Cómo encontró Webb las señales

Betti y sus colegas observaron Beta Pictoris el 7 de diciembre de 2023 con el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano, conocido como NIRSpec, instalado en el James Webb. Lo usaron en un modo que registra un espectro completo para cada punto de la imagen, desde 0,6 hasta 5,2 micrómetros. Así, el equipo pudo estudiar cómo cambia la luz reflejada por el polvo del disco según la longitud de onda.

Primero, los investigadores restaron el intenso brillo de la estrella para aislar la luz estelar que refleja el polvo. Después buscaron las huellas que dejan los distintos hielos en el espectro: el hielo de agua absorbe luz con fuerza cerca de los 3 micrómetros, mientras que el dióxido de carbono muestra señales a 4,27 micrómetros. Cuando este último contiene el isótopo más pesado carbono-13, la absorción aparece a 4,39 micrómetros.

El equipo mapeó las señales de hielo de agua a lo largo del disco y encontró que eran sorprendentemente uniformes. Para examinar la composición con más detalle, extrajo espectros de dos puntos situados en lados opuestos de la estrella, cada uno a unas 100 unidades astronómicas. En ambos detectó hielo de agua y de dióxido de carbono, tanto en su forma común como en la variante que contiene carbono-13.

La forma de las señales aportó información adicional sobre cómo se relacionan los dos componentes. Las características del dióxido de carbono aparecían ligeramente desplazadas hacia longitudes de onda más cortas y eran mucho más amplias que las registradas en muestras de hielo puro medidas en laboratorio. Según la interpretación del equipo, ese patrón corresponde al dióxido de carbono atrapado dentro del hielo de agua, no a dos tipos de hielo presentes en granos separados.

Una mezcla semejante a la de los cometas

Los investigadores describen el material como hielo sucio, una mezcla en la que el dióxido de carbono queda incorporado al hielo de agua. Los modelos sugerían que los granos con moléculas mezcladas podrían sobrevivir más tiempo a la radiación ultravioleta que los pequeños granos de hielo puro. La detección ofrece así una explicación para la persistencia de material helado en el disco, aunque no determina por sí sola todos los mecanismos que mantienen su abundancia.

El cálculo del equipo indica que hay algo más de una molécula de dióxido de carbono por cada 10 moléculas de agua, por lo que el dióxido de carbono representa cerca del 11% del hielo. Esa proporción se encuentra dentro del rango de entre 2,5% y 30% medido en cometas del Sistema Solar. También coincide con el rango de entre 7% y 20% observado en hielos de discos alrededor de otras estrellas recién nacidas.

La similitud entre estas proporciones sugiere que los hielos de Beta Pictoris podrían haberse formado mediante procesos parecidos a los que ocurrieron en nuestro propio sistema. Una posibilidad planteada por el estudio es que se acumularan sobre granos de polvo en nubes frías, densas y ricas en agua durante las primeras etapas de la formación estelar. Esta interpretación sitúa el origen del material antes de que los planetas del sistema comenzaran a tomar forma.

La estructura del hielo de agua respalda esa posibilidad. Cuando el agua se congela a temperaturas moderadas, sus moléculas suelen ordenarse en una red cristalina que produce un pico marcado en el espectro justo por encima de los 3 micrómetros. Esa señal no apareció en las observaciones de Beta Pictoris, lo que llevó al equipo a concluir que el hielo es casi completamente amorfo, como un sólido desordenado parecido al vidrio.

Colisiones que reponen el material

El equipo estima que menos del 7% del hielo de agua del sistema es cristalino, una proporción que contrasta con los modelos que anticipaban hielo mayormente cristalino en discos de escombros. Para que la forma amorfa se mantenga, el hielo debe permanecer por debajo de unos 100 kelvin, equivalentes a menos 173 grados Celsius, o algún proceso debe alterar su estructura cristalina. Entre las posibilidades consideradas están la luz ultravioleta de alta energía, los rayos cósmicos y las partículas que fluyen de la estrella.

A partir de estas características, los investigadores concluyen que el hielo probablemente se formó en el medio interestelar, mucho antes de que los planetas de Beta Pictoris empezaran a tomar forma. El hallazgo, por tanto, no equivale a una datación directa de cada grano ni demuestra que todo el hielo del disco sea anterior a la estrella. Sí aporta indicios de que el material conserva una historia previa a la formación planetaria del sistema.

Una distribución tan uniforme del hielo a lo largo del disco requiere, según la explicación propuesta por el equipo, colisiones frecuentes entre planetesimales. Cada impacto podría liberar polvo helado fresco, incluido material que había quedado enterrado y protegido en el interior de los cuerpos. Esa reposición compensaría, al menos en parte, la destrucción causada por la luz ultravioleta de la estrella.

Las observaciones previas ya habían mostrado una estela de polvo curvada y asimétrica en el brazo suroeste del disco. Los astrónomos la atribuyen a los escombros de una colisión violenta ocurrida a una distancia algo menor que la mitad del recorrido entre la estrella y el borde exterior del disco. La señal proporciona un ejemplo de que las colisiones ocurren en el sistema, aunque no establece por sí sola que ese episodio explique toda la distribución de hielo detectada.

Alcance y límites del hallazgo

Los resultados respaldan la idea de que el monóxido de carbono del disco procede de cuerpos helados que chocan y liberan sus componentes. También ofrecen un mecanismo posible para que el hielo sobreviva en un entorno sometido de forma constante a radiación ultravioleta: la mezcla de agua y dióxido de carbono puede resistir mejor que el hielo de agua puro, mientras que los impactos aportan material nuevo. Ambas explicaciones conectan las señales observadas con la dinámica del disco.

El análisis no permitió determinar exactamente cuánto hielo cristalino hay ni descartar que otros compuestos estén escondidos en la mezcla. Estas limitaciones dejan abiertas preguntas sobre la composición detallada del material y los procesos que lo transforman con el tiempo. Por eso, el equipo presenta el resultado como evidencia de hielo mezclado y mayormente amorfo, no como un inventario completo de todas las sustancias presentes.

La comparación con los cometas y con discos de otras estrellas apunta a que los ingredientes helados de Beta Pictoris no son excepcionales. Si estos materiales primordiales también aparecen en otros sistemas jóvenes, las materias primas para formar mundos ricos en agua podrían ser comunes. El estudio no identifica mundos habitables ni plantea evidencia de vida, pero amplía el panorama sobre la disponibilidad de agua y otros volátiles durante la formación planetaria.

El hallazgo muestra cómo el análisis espectral puede revelar no solo qué materiales hay en un disco, sino también cómo podrían estar mezclados y qué condiciones habrían favorecido su conservación. Para Beta Pictoris, una estrella a 64 años luz, la combinación de hielo amorfo, dióxido de carbono y señales de colisiones ofrece una ventana a etapas tempranas de construcción planetaria. El estudio fue publicado en Science en 2026.

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