El telescopio espacial James Webb consigue la espectacular imagen de un planeta recién nacido

Si hubiera que elegir un único campo de estudio como representante de la astronomía moderna, ese sería sin duda la búsqueda de exoplanetas, con el objetivo último de encontrar vida en alguno de ellos o incluso, por qué no, una 'segunda Tierra'. Todos esos mundos lejanos (cerca de seis mil a la hora de escribir estas líneas), ofrecen además un enorme caudal de información sobre los intrincados mecanismos que rigen la formación de los sistemas planetarios, incluido el nuestro. Durante décadas, la detección de estos elusivos cuerpos celestes ha supuesto una tarea hercúlea, pero la llegada hace cuatro años del telescopio espacial James Webb marcó un antes y un después. Y ahora, a pesar de que el telescopio ya descubrió otros exoplanetas en 2022, 2023 y 2024, el James Webb acaba de obtener una excepcional imagen directa de un joven exoplaneta incrustado en el disco de escombros que rodea a una estrella recién nacida. Se trata de la imagen directa del exoplaneta más pequeño detectado hasta ahora con esa técnica.

El descubrimiento, llevado a cabo por la astrónoma francesa Anne-Marie Lagrange, del CNRS en el Observatorio de París-PSL, en colaboración con la Université Grenoble Alpes y recién publicado en 'Nature', es una muestra más de las aparentemente infinitas capacidades del telescopio espacial. Bautizado como TWA 7 b, el nuevo planeta es el de menor masa observado mediante imagen directa hasta la fecha, un logro que supone un gran paso en la detección y caracterización de mundos cada vez más pequeños y, por lo tanto, más parecidos a la propia Tierra.

¿Pero por qué obtener imágenes directas de un exoplaneta es algo tan extraordinariamente difícil? La respuesta está en la intensa luz de las estrellas y el pequeño tamaño de los planetas en comparación con ellas. Ver directamente un exoplaneta sería como querer ver una luciérnaga danzando alrededor de un faro a varios kilómetros de distancia. El faro es la estrella: su brillo es tan abrumador que ahoga por completo la tenue luz de cualquier planeta que la orbite. Por eso, la inmensa mayoría de los exoplanetas descubiertos hasta ahora han sido detectados a través de métodos indirectos, como el de tránsito (cuando un planeta pasa por delante de su estrella y causa una ligera atenuación de su luz) o el de la velocidad radial (que mide el 'bamboleo gravitatorio' que un planeta causa en su estrella anfitriona).

Sin embargo, estas técnicas no nos proporcionan una imagen real del planeta. Algo que sí consigue la imagen directa, que busca capturar la luz del propio planeta, ya sea reflejada de su estrella o, lo más común, su propio calor residual, que se puede observar en el infrarrojo.

Y aquí es donde entra en juego la extraordinaria capacidad infrarroja de James Webb. Para superar el problema del resplandor estelar, Lagrange y sus colegas utilizaron un novedoso coronógrafo (de fabricación francesa), instalado en el instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) del telescopio, un potente detector de infrarrojos. Igual que durante un eclipse total de Sol la Luna bloquea su luz y permite a los científicos estudiar su atmósfera (la corona), que de otro modo sería invisible, un coronógrafo, en esencia, es un disco opaco o máscara, que se coloca en el telescopio para bloquear la luz de una estrella lejana mientras se la observa. La maniobra permite que la luz mucho más débil de los objetos cercanos a la estrella, como los exoplanetas o los discos de escombros, sean detectados por el instrumento de infrarrojos.

El coronógrafo de MIRI en el Webb, sin embargo, no es un simple disco, sino que incorpora toda una serie de tecnologías avanzadas, entre ellas un coronógrafo de tipo Lyot y tres coronógrafos de máscara de fase de cuatro cuadrantes (4QPM). Dichas máscaras permiten un 'ángulo de trabajo interno' mucho más pequeño. Lo cual significa que pueden bloquear la luz de la estrella a distancias angulares muy cercanas a ella, haciendo posible la observación de planetas que orbitan mucho más cerca de su estrella de lo que era posible hasta ahora.

El proceso de observación con el coronógrafo de MIRI es extremadamente meticuloso. Y es que, después de bloquear la mayor parte de la luz estelar, aún quedan 'residuos' de luz reflejada que pueden interferir en las observaciones. Para eliminar esta luz residual y obtener una imagen más nítida del exoplaneta, los astrónomos utilizan la técnica de 'sustracción de estrella de referencia'. Lo cual implica observar una estrella de referencia cercana y sin planetas, utilizando exactamente la misma configuración de instrumentos. Así, al restar la imagen de la estrella de referencia de la imagen de la estrella objetivo (la que tiene el exoplaneta), los investigadores consiguen aislar la tenue señal del planeta.

Por si no fuera suficiente, el Webb emplea además una técnica llamada 'Imagen Diferencial Angular' (ADI), que consiste en rotar el telescopio ligeramente durante la observación. Esto hace que el planeta se mueva en el campo de visión mientras que los patrones de luz residual del telescopio permanecen estáticos, facilitando su posterior eliminación. Gracias a la combinación de estos métodos, el telescopio puede detectar objetos que son hasta un millón de veces más tenues que la estrella en sí.

Los autores del estudio centraron su atención en los objetivos que parecían más favorables para la obtención de una imagen directa. Sistemas jóvenes, de apenas unos pocos millones de años y que se pudieran observar 'desde el polo' (es decir, que sus discos se vieran 'desde arriba'), algo muy importante porque los planetas recién formados en estos discos aún están calientes y, por tanto, emiten más luz infrarroja, haciéndolos más 'brillantes' a los instrumentos del Webb de lo que serían planetas más antiguos y fríos.

Entre los varios discos que podían observarse de frente, dos atrajeron especialmente la atención de los investigadores, ya que observaciones previas ya habían revelado estructuras concéntricas en forma de anillos dentro de ellos. Y eso hacía sospechar que esas estructuras eran el resultado de la interacción gravitacional entre planetas no identificados y pequeños cuerpos rocosos y helados ('planetesimales'), precursores de los planetas que chocan y se aglomeran en los discos protoplanetarios. Uno de esos sistemas, llamado TWA 7, destacaba sobre los demás por sus tres anillos bien distinguibles, uno de los cuales es particularmente estrecho y está rodeado por dos áreas vacías en las que apenas hay materia.

La imagen obtenida por James Webb reveló una fuente de luz infrarroja justo en el corazón del anillo estrecho. Tras descartar cuidadosamente la posibilidad de sesgos observacionales (como la presencia de una estrella de fondo o un artefacto del instrumento), Lagrange y su equipo concluyeron que lo más probable era que se tratara de un exoplaneta. Simulaciones detalladas confirmaron la hipótesis: un planeta de la masa y posición estimadas podría, en efecto, crear un anillo delgado y un 'hueco' exactamente donde se observó.

El nuevo exoplaneta, denominado TWA 7 b, es un auténtico 'peso pluma' en comparación con los mundos gigantes que se habían conseguido fotografiar directamente hasta ahora. De hecho, es hasta diez veces más ligero que los exoplanetas previamente capturados en imágenes directas. Su masa, comparable a la de Saturno, representa aproximadamente el 30% de la masa de Júpiter, el planeta más masivo de nuestro Sistema Solar. Lo cual significa que, si bien sigue siendo un gigante gaseoso, TWA 7 b es significativamente menos masivo que muchos de los 'Júpiter calientes' o 'súper Júpiter' que dominaban las listas de exoplanetas de imagen directa. Por ejemplo, sistemas como HR 8799, que alberga cuatro planetas gigantes capturados en imágenes directas (el primero de los cuales, Beta Pictoris b, fue descubierto en 2008), son notablemente más masivos que TWA 7 b. Incluso Epsilon Indi Ab, descubierto en 2024 por el propio Webb con su instrumento MIRI y uno de los exoplanetas más fríos de los que tenemos imagen directa, tiene varias veces la masa de Júpiter.

El nuevo resultado, por lo tanto, marca una nueva etapa en la detección de exoplanetas cada vez más pequeños por imagen directa. Mundos que se asemejan más a la Tierra que a los gigantes gaseosos de nuestro propio Sistema Solar. Si bien TWA 7 b no es una 'súper Tierra', su masa de aproximadamente 0.3 veces la de Júpiter (alrededor de 100 veces la masa de la Tierra) lo sitúa en un rango significativamente más bajo que los gigantes detectados previamente con el mismo método.

Los límites del telescopio espacial James Webb, con todo, no se han alcanzado todavía. De hecho, los científicos esperan capturar imágenes de planetas con solo el 10% de la masa de Júpiter y más cerca aún, por lo tanto, de la masa terrestre. A lo que hay que añadir las nuevas capacidades que tendrán las próximas generaciones de telescopios, diseñados específicamente para la búsqueda de exoplanetas. No en vano, los astrónomos ya disponen de una lista con los sistemas más prometedores para estas futuras observaciones.