Inesperado hallazgo de vapores de metales pesados en cometas de nuestro Sistema Solar y más allá

Un nuevo estudio, realizado por un equipo belga que ha utilizado datos del Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral (VLT de ESO) ha demostrado que hay hierro y níquel en las atmósferas de los cometas de todo nuestro Sistema Solar, incluso en aquellos más alejados del Sol. Otro estudio, llevado a cabo por un equipo polaco que también utilizó datos de ESO, confirmó que el vapor de níquel también está presente en el cometa interestelar helado 2I/Borisov. Es la primera vez que los metales pesados, generalmente asociados con ambientes calientes, se encuentran en las atmósferas frías de cometas distantes.

En esta imagen se ilustra la detección de los metales pesados hierro (Fe) y níquel (Ni) en la atmósfera difusa de un cometa. En la parte superior izquierda, se representa el espectro de luz de C/2016 R2 (PANSTARRS) superpuesto a una imagen real del cometa, tomada con el telescopio SPECULOOS, instalado en el Observatorio Paranal de ESO. Cada pico blanco en el espectro representa un elemento diferente, con los picos del hierro y el níquel marcados en azul y naranja, respectivamente. Obtener este tipo de espectro ha sido posible gracias al instrumento UVES, instalado en el VLT de ESO, un espectrógrafo de alta resolución que expande tanto las líneas que se pueden identificar individualmente. Además, UVES es sensible hasta longitudes de onda de 300nm. La mayoría de las líneas importantes de hierro y níquel aparecen en longitudes de onda de alrededor de 350nm, lo que significa que las capacidades de UVES eran esenciales para hacer este descubrimiento. Crédito: ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

"Fue una gran sorpresa detectar átomos de hierro y níquel en la atmósfera de todos los cometas que hemos observado en las últimas dos décadas, unos 20, e incluso en los que están más lejos del Sol, en el entorno frío del espacio", afirma Jean Manfroid, de la Universidad de Lieja (Bélgica), quien dirige el nuevo estudio sobre cometas del Sistema Solar publicado hoy en Nature.

En astronomía se sabe que existen metales pesados en los interiores polvorientos y rocosos de los cometas. Pero, debido a que los metales sólidos no suelen "sublimar" (volverse gaseosos) a bajas temperaturas, no esperaban encontrarlos en las atmósferas de cometas fríos que viajan lejos del Sol. Ahora, estos vapores de níquel y hierro se han detectado incluso en cometas observados a más de 480 millones de kilómetros del Sol, más del triple de la distancia Tierra-Sol.

El equipo belga descubrió la presencia de hierro y níquel en las atmósferas de los cometas en cantidades muy parecidas. En la materia de nuestro Sistema Solar (por ejemplo, la que se encuentra en el Sol y en los meteoritos), suele haber unas diez veces más de hierro que de níquel. Por lo tanto, este nuevo resultado tiene implicaciones para comprender cuestiones relacionadas con el Sistema Solar temprano, aunque el equipo todavía está identificando cuáles pueden ser.

"Los cometas se formaron hace unos 4.600 millones de años, cuando el Sistema Solar era muy joven, y no han cambiado desde entonces. En ese sentido, para quienes nos dedicamos a la investigación astronómica, son como fósiles", explica el coautor del estudio, Emmanuel Jehin, también de la Universidad de Lieja.

Esta imagen ilustra la detección de níquel (Ni) en la atmósfera difusa del cometa interestelar 2I/Borisov. En la parte inferior derecha se muestra el espectro de luz del cometa superpuesto a una imagen real del cometa, tomada con el Very Large Telescope (VLT) de ESO a finales de 2019. Las líneas de níquel se indican con marcas de color naranja. El espectro se obtuvo con el instrumento X-shooter, instalado en el UT2 (Unidad de Telescopio 2, llamado Kueyen) del VLT de ESO, que separa los haces entrantes de luz en sus longitudes de onda constituyentes (equivalentes a los colores). Dada su capacidad para adquirir de forma simultánea datos desde el infrarrojo cercano hasta longitudes de onda ultravioleta, X-shooter es uno de los instrumentos ópticos más versátiles en uso. Crédito: ESO/L. Calçada/O. Hainaut, P. Guzik and M. Drahus

Aunque el equipo belga lleva casi 20 años estudiando estos objetos "fósiles" con el VLT de ESO, no habían detectado la presencia de níquel y hierro en sus atmósferas hasta ahora. "Este descubrimiento pasó por debajo del radar durante muchos años", declara Jehin.

El equipo utilizó datos del instrumento UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph, espectrógrafo echelle para el ultravioleta y el visible), instalado el VLT de ESO, que utiliza una técnica llamada espectroscopia para analizar las atmósferas de cometas a diferentes distancias del Sol. Esta técnica permite revelar la composición química de los objetos cósmicos: cada elemento químico deja una firma única — un conjunto de líneas — en el espectro de la luz de los objetos.

El equipo belga había detectado líneas espectrales débiles y no identificadas en los datos de UVES y, en una inspección más detallada, se dieron cuenta de que estaban indicando la presencia de átomos neutros de hierro y níquel. Una razón por la que los elementos pesados eran difíciles de identificar es que existen en cantidades muy pequeñas: el equipo estima que por cada 100 kg de agua en las atmósferas de los cometas sólo hay 1 g de hierro, y aproximadamente la misma cantidad de níquel.

"Por lo general, hay 10 veces más cantidad de hierro que de níquel, y en esas atmósferas de cometas encontramos aproximadamente la misma cantidad para ambos elementos. Llegamos a la conclusión de que podrían provenir de un tipo especial de material situado en la superficie del núcleo del cometa, sublimando a una temperatura bastante baja y liberando hierro y níquel en aproximadamente las mismas proporciones", explica Damien Hutsemékers, también miembro del equipo belga de la Universidad de Lieja.

Esta imagen nos muestra un cometa situado en los confines exteriores del Sistema Solar: el cometa C/2016 R2 (PANSTARRS). Como su nombre indica, el cometa fue descubierto en 2016 por los telescopios Pan-STARRS, en Hawái. La nueva imagen fue captada por un proyecto basado en el Observatorio Paranal de ESO, en Chile, llamado SPECULOOS (Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars, búsqueda de planetas habitables que eclipsan estrellas ultrafrías). Los cometas son bolas de polvo, hielo, gas y roca. Cuando pasan cerca del Sol, su hielo se calienta, se convierte en gas y escapa en un proceso llamado "desgasificación". Este proceso forma envolventes difusas alrededor del núcleo de los cometas, llamados comas, y colas distintivas. Las observaciones de SPECULOOS muestran que la cola de C/2016 R2 (PANSTARRS) cambia drásticamente a lo largo de una sola noche, proporcionando un dinámico conjunto de imágenes. La imagen que se muestra aquí, y los fotogramas que la acompañan en la película de timelapse, comprenden observaciones tomadas el 18 de enero de 2018 durante la fase de pruebas del telescopio Callisto de SPECULOOS, y fueron obtenidas cuando el cometa se encontraba a 2,85 UA del Sol (1 AU es la distancia Tierra-Sol) viajando hacia el interior. Este cometa es particularmente interesante debido a los raros compuestos y moléculas que los científicos han detectado en su coma: monóxido de carbono e iones de nitrógeno. Estos compuestos le dan al cometa distintivas líneas de emisión azules, tanto es así que ha sido apodado "el cometa azul". Este tímido cometa sólo orbita el Sol una vez cada 20.000 años, y acercamiento más reciente tuvo lugar en mayo de 2018. Esta imagen fue tomada durante el tiempo durante el cual el telescopio seguía el movimiento del cometa; las brillantes rayas de luz del fondo son estrellas lejanas, pero el cometa y su coma gaseoso están enfocados, un testimonio del poder de rastreo de SPECULOOS. Enlaces: Película que muestra los cambios en la cola del cometa. Crédito: ESO/SPECULOOS Team/E. Jehin

Aunque el equipo aún no está seguro de qué material podría ser, los avances en astronomía, como el instrumento METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, espectrógrafo y captador de imagen en el infrarrojo medio para el ELT), que se instalará en el fututo ELT (Extremely Large Telescope, telescopio extremadamente grande) de ESO, permitirán a los investigadores confirmar la fuente de los átomos de hierro y níquel que se encuentran en las atmósferas de estos cometas.

El equipo belga espera que su estudio allane el camino para futuras investigaciones. "Ahora la gente buscará esas líneas en sus datos de archivo de otros telescopios", declara Jehin. "Creemos que esto también dará lugar a nuevos estudios sobre el tema".

Metales pesados interestelares

Otro destacado estudio publicado hoy en Nature muestra que los metales pesados también están presentes en la atmósfera del cometa interestelar 2I/Borisov. Utilizando el espectrógrafo X-shooter, instalado en el VLT de ESO, un equipo de Polonia observó este objeto, el primer cometa alienígena en visitar nuestro Sistema Solar, cuando el cometa se acercó hace aproximadamente un año y medio. Descubrieron que la atmósfera fría de 2I/Borisov contiene níquel en estado gaseoso.

Esta imagen fue obtenida con el instrumento FORS2, instalado en el Very Large Telescope de ESO, a finales de 2019, cuando el cometa 2I/Borisov pasó cerca del Sol. Mientras el telescopio seguía la trayectoria del comenta, y dado que viajaba a una velocidad vertiginosa (unos 175000 kilómetros por hora), las estrellas de fondo aparecen como rayas de luz. Los colores de estas rayas dan a la imagen un estilo “disco” y son el resultado de combinar observaciones en diferentes bandas de longitud de onda, resaltadas por los diversos colores de esta imagen compuesta. Crédito: ESO/O. Hainaut

"Al principio nos costó creer que el níquel atómico realmente pudiera estar presente en 2I/Borisov, tan lejos del Sol. Se necesitaron numerosas pruebas y confirmaciones antes de que finalmente pudiéramos convencernos de que era así", afirma el autor del estudio, Piotr Guzik, de la Universidad Jaguelónica (Polonia). El hallazgo es sorprendente porque, antes de los dos estudios publicados hoy, los gases con átomos de metales pesados sólo se habían observado en ambientes calurosos, como en las atmósferas de exoplanetas ultra-calientes o cometas en evaporación que pasaban demasiado cerca del Sol. 2I/Borisov se observó cuando estaba a unos 300 millones de kilómetros del Sol, aproximadamente el doble de la distancia Tierra-Sol.

Estudiar en detalle los cuerpos interestelares es fundamental para la ciencia, ya que contienen información muy valiosa sobre los sistemas planetarios alienígenas de los que provienen. "De repente entendimos que el níquel gaseoso está presente en las atmósferas cometarias de otros rincones de la Galaxia", afirma el coautor, Michał Drahus, también de la Universidad Jaguelónica.

Los estudios polaco y belga muestran que los cometas del Sistema Solar y el cometa 2I/Borisov tienen aún más en común de lo que se pensaba. Y Drahus concluye con esta reflexión: "Ahora imaginen que los cometas de nuestro Sistema Solar tienen sus verdaderos análogos en otros sistemas planetarios, ¿no sería estupendo?".

Información adicional

Estos trabajos de investigación se han presentado en dos artículos que aparecen en la revista Nature.

El equipo que llevó a cabo el estudio “Iron and nickel atoms in cometary atmospheres even far from the Sun“ (https://doi.org/10.1038/s41586-021-03435-0) está compuesto por J. Manfroid, D. Hutsemékers & E. Jehin (Instituto STAR, Universidad de Lieja, Bélgica).

El equipo que llevó a cabo el estudio “Gaseous atomic nickel in the coma of interstellar comet 2I/Borisov” está compuesto por Piotr Guzik y Michał Drahus (Observatorio Astronómico, Universidad Jaguelónica, Cracovia, Polonia).

Vista panorámica del VLT. Esta vista del VLT, capturada por el dron del embajador fotográfico de ESO Gerhard Hüdepohl, muestra una vista panorámica del VLT, el instrumento óptico más avanzado del mundo y la instalación insignia para la astronomía terrestre europea. Crédito: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com) / ESO.

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico basado en tierra más productivo del mundo. Cuenta con dieciséis países miembros: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con Chile, país anfitrión, y Australia como aliado estratégico. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de potentes instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desempeña un importante papel promoviendo y organizando la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope junto con su interferómetro VLTI (Very Large Telescope Interferometer), el más avanzado del mundo, así como dos telescopios de rastreo: VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía), que trabaja en el infrarrojo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT), que rastrea en luz visible. También en Paranal, ESO albergará y operará el CTA Sur (Cherenkov Telescope Array South), el observatorio de rayos gamma más grande y sensible del mundo. ESO también es socio principal de dos instalaciones en Chajnantor, APEX y ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Finalmente, en Cerro Armazones, cerca de Paranal, ESO está construyendo el ELT (Extremely Large Telescope), de 39 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

Enlaces

• Artículos científicos: Nature, Manfroid et al. Nature, Guzik and Drahus
• Fotos del VLT
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• Publicado en ESO-España el 19 de mayo del 2021, enlace publicación.