Las observaciones del JWST del núcleo de formación estelar de la Nebulosa de Orión nos han proporcionado algo que nunca habíamos visto antes.

Allí, en el Cúmulo del Trapecio, los científicos han descubierto docenas de objetos parecidos a planetas con aproximadamente la masa de Júpiter, no unidos a una estrella, desplazándose a través de la galaxia en pares gravitacionalmente unidos, como si fuera algo perfectamente normal.

Pero no es el caso. No se conoce ningún mecanismo de formación que pueda conducir a estas masas binarias, y mucho menos a 42 de ellas.

A medida que encontramos más y más mundos alienígenas en la Vía Láctea, resulta cada vez más claro que nuestra comprensión de cómo surgieron los planetas tiene serias lagunas. Entonces, qué son estos objetos y de dónde vienen podría ayudarnos a aprender más sobre cómo se formaron las estrellas y los planetas.

Los astrónomos Samuel Pearson Mark McCaughrean de la Agencia Espacial Europea los llamaron Objetos Binarios de Masa de Júpiter, o JuMBO, y los describió en un artículo preimpreso que fue sometido a Naturaleza.

Se cree que estos entornos de formación de estrellas podría ser examinado con lo que llamamos exoplanetas rebeldes: aquellos que se han desprendido de sus estrellas. De hecho, un gran número de estrellas muy cercanas entre sí pueden alterar los sistemas planetarios bebés de cada una. Las simulaciones sugieren que los exoplanetas no deseados podrían ser increíblemente comunes.

Además, la existencia de objetos de masa planetaria que flotan libremente en Orión no es una sorpresa. Los astrónomos han sido detectándolos durante décadasa una masa de aproximadamente tres veces la de Júpiter.

Pero para objetos más pequeños que Orión, la detección plantea un enorme desafío. El fondo de Orión es muy brillante; y los objetos pequeños con masa planetaria son relativamente fríos y emiten la mayor parte de su luz en el infrarrojo térmico.

Esto sin embargo, Aquí es donde brilla JWST. Construido para detectar luz infrarroja, el poderoso telescopio espacial nos ha brindado las observaciones más detalladas de Orión hasta la fecha.

Entonces Pearson y McCaughrean fueron a buscar pequeñas cosas. Pero lo que encontraron desafió todas las expectativas.

«Hemos estado buscando estos objetos muy pequeños y los estamos encontrando. Los estamos encontrando tan pequeños como la masa de Júpiter, o incluso la mitad de la masa de Júpiter, flotando libremente, no unidos a una estrella», dijo McCaughrean. . Hannah Devlin dijo El guardián.

«La física dice que ni siquiera se pueden crear objetos tan pequeños. Queríamos ver si podemos romper la física. Y creo que lo hicimos, lo cual es bueno».

Los JuMBO tienen alrededor de un millón de años, con temperaturas que rondan los 1.000 Kelvin (unos 700 grados Celsius) y separaciones orbitales de entre 25 y 390 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. El análisis de la tenue luz que desprenden revela notas de vapor de agua, monóxido de carbono y metano. Hasta ahora todo es normal para un bebé gigante gaseoso.

El problema con los JuMBO es el hecho de que vienen de dos en dos. Un exoplaneta solitario y rebelde que hace lo suyo es una cosa. Pero dos objetos de masa planetaria unidos gravitacionalmente son realmente difíciles de explicar.

Verá, las estrellas se forman cuando un grupo de materia en una nube molecular colapsa bajo la influencia de la gravedad. A medida que giran, atraen más material de la nube que los rodea, lo que forma un disco que alimenta la estrella. Durante este proceso, el disco puede romperse, dando como resultado la formación de una segunda estrella; así nace una estrella binaria.

Pero el límite de masa inferior teórico para un objeto que se forma a través de este escenario de formación de colapso de nubes es de aproximadamente tres masas de Júpiter. Los objetos más pequeños, como los planetas, se forman en el disco de material que rodea la estrella.

Las simulaciones sugieren que estos planetas bebés pueden ser expulsados ​​de su sistema muy fácilmente, ya sea mediante interacciones planeta-planeta o interacciones estrella-estrella. Pero los mecanismos implicados en esta eyección no favorecen el mantenimiento de pares de planetas juntos.

Es posible que planetas aislados expulsados ​​se encuentren y queden unidos gravitacionalmente, pero esperamos que esto sea bastante raro. Detectar 42 de estos pares, como se señala en el artículo de Pearson y McCaughrean, sugiere que nos estamos perdiendo algo fundamental.

«Aún no está claro cómo pueden ser expulsados ​​simultáneamente pares de planetas jóvenes y permanecer unidos, aunque sea débilmente en separaciones relativamente grandes», escriben los investigadores en su artículo.

«Todo objetos de masa planetaria y los JuMBO que vemos en el cúmulo trapecio podrían resultar de una mezcla de estos dos escenarios «clásicos», aunque ambos tienen importantes salvedades, o quizás un mecanismo de formación nuevo y bastante distinto, como la fragmentación de un disco sin estrellas. , se requiere.»

El estudio que describe JuMBO está disponible en el servidor de preimpresión. arXiv.org.

Láseres y rayos X ultrarrápidos han revelado el acoplamiento entre la dinámica electrónica y nuclear de las moléculas.

Hace casi un siglo, los físicos Max Born y J. Robert Oppenheimer desarrollaron una hipótesis sobre cómo funciona la mecánica cuántica dentro de las moléculas. Estas moléculas están formadas por sistemas complejos de núcleos y electrones. La aproximación de Born-Oppenheimer postula que los movimientos de los núcleos y los electrones dentro de una molécula ocurren de forma independiente y pueden tratarse por separado.

Este modelo funciona la gran mayoría de las veces, pero los científicos están poniendo a prueba sus límites. Recientemente, un equipo de científicos demostró el fracaso de esta hipótesis en escalas de tiempo muy rápidas, revelando una estrecha relación entre la dinámica de los núcleos y los electrones. Este descubrimiento podría influir en el diseño de moléculas útiles para la conversión de energía solar, la generación de energía, la ciencia de la información cuántica y más.

El equipo, compuesto por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad Northwestern, la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Washington, publicó recientemente su descubrimiento en dos artículos relacionados en Naturaleza Y Edición internacional Angewandte Chemie.

«Nuestro trabajo revela la interacción entre la dinámica del espín de los electrones y la dinámica vibratoria de los núcleos de las moléculas en escalas de tiempo ultrarrápidas», dijo Shahnawaz Rafiq, investigador asociado de Northwestern University y primer autor de Naturaleza papel. «Estas propiedades no pueden tratarse de forma independiente: se mezclan y afectan la dinámica electrónica de formas complejas».

Un fenómeno llamado efecto vibrónico de espín ocurre cuando los cambios en el movimiento de los núcleos de una molécula afectan el movimiento de sus electrones. Cuando los núcleos vibran dentro de una molécula, ya sea debido a su energía intrínseca o debido a estímulos externos, como la luz, estas vibraciones pueden afectar el movimiento de sus electrones, lo que a su vez puede cambiar el espín de la molécula, una propiedad de la mecánica cuántica vinculada al magnetismo.

En un proceso llamado cruce entre sistemas, una molécula excitada o átomo cambia su estado electrónico invirtiendo la orientación de su espín electrónico. El cruce entre sistemas juega un papel importante en muchos procesos químicos, incluidos los de dispositivos fotovoltaicos, fotocatálisis e incluso animales bioluminiscentes. Para que este cruce sea posible, se requieren condiciones específicas y diferencias de energía entre los estados electrónicos involucrados.

Desde la década de 1960, los científicos han planteado la hipótesis de que el efecto vibrónico de espín podría desempeñar un papel en el cruce entre sistemas, pero observar directamente el fenómeno ha resultado difícil porque implica medir cambios en los estados electrónicos, vibratorios y de espín en objetos muy específicos. tiempos de respuesta rápidos.

“Usamos pulsos de láser ultracortos (hasta siete femtosegundos, o siete millonésimas de milmillonésima de segundo) para rastrear el movimiento de núcleos y electrones en tiempo real, lo que mostró cómo el efecto vibrónico del espín puede conducir al cruce entre sistemas. dijo Lin Chen, miembro distinguido de Argonne, profesor de química en la Universidad Northwestern y coautor correspondiente de ambos estudios. «Comprender la interacción entre el efecto vibrónico de espín y el cruce entre sistemas podría conducir a nuevas formas de controlar y explotar las propiedades electrónicas y de espín de las moléculas».

El equipo estudió cuatro sistemas moleculares únicos diseñados por Félix Castellano, profesor de Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor correspondiente de ambos estudios. Cada uno de los sistemas es similar al otro, pero contienen diferencias controladas y conocidas en sus estructuras. Esto permitió al equipo acceder a efectos cruzados entre sistemas y dinámicas vibratorias ligeramente diferentes para obtener una imagen más completa de la relación.

«Los cambios geométricos que diseñamos en estos sistemas provocaron que los puntos de cruce entre los estados excitados electrónicos que interactúan aparecieran con energías ligeramente diferentes y en diferentes condiciones», dijo Castellano. «Esto proporciona información sobre cómo ajustar y diseñar materiales para mejorar este cruce».

Inducido por el movimiento vibratorio, el efecto vibrónico de espín en las moléculas alteró el panorama energético dentro de las moléculas, aumentando la probabilidad y la tasa de cruce entre sistemas. El equipo también descubrió estados electrónicos intermedios clave que eran parte integral del funcionamiento del efecto vibrónico del espín.

Los resultados fueron predichos y reforzados por cálculos de dinámica cuántica realizados por Xiaosong Li, profesor de química de la Universidad de Washington. Universidad de Washington y científico de laboratorio en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE. «Estos experimentos mostraron una química muy clara y hermosa en tiempo real que coincidía con nuestras predicciones», dijo Li, autor del estudio publicado en Edición internacional Angewandte Chemie.

Los profundos conocimientos revelados por los experimentos representan un paso adelante en el diseño de moléculas capaces de explotar esta poderosa relación mecánico-cuántica. Esto podría resultar particularmente útil para células solares, mejores pantallas electrónicas e incluso tratamientos médicos que dependen de interacciones entre la luz y la materia.

Las referencias:

“La coherencia espín-vibrónica impulsa la conversión singlete-triplete” por Shahnawaz Rafiq, Nicholas P. Weingartz, Sarah Kromer, Felix N. Castellano y Lin X. Chen, 19 de julio de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06233-y

“Revelando trayectorias de estados excitados en superficies de energía potencial con resolución atómica en tiempo real” por Denis Leshchev, Andrew JS Valentine, Pyosang Kim, Alexis W. Mills, Subhangi Roy, Arnab Chakraborty, Elisa Biasin, Kristoffer Haldrup, Darren J. Hsu, Matthew S. Kirschner, Dolev Rimmerman, Matthieu Chollet, J. Michael Glownia, Tim B. van Driel, Felix N. Castellano, Xiaosong Li y Lin X. Chen, 28 de abril de 2023. Angewandte Chemie Edición Internacional.
DOI: 10.1002/anie.202304615

Ambos estudios fueron apoyados por la Oficina de Ciencias del DOE. EL Naturaleza El estudio fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias. Experiencias en el Angewandte Chemie Edición Internacional se llevaron a cabo en Linac Coherent Light Source en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE. Otros autores sobre el Naturaleza El estudio incluye a Nicholas P. Weingartz y Sarah Kromer. Otros autores del artículo publicado en Angewandte Chemie Edición Internacional incluyen a Denis Leshchev, Andrew JS Valentine, Pyosang Kim, Alexis W. Mills, Subhangi Roy, Arnab Chakraborty, Elisa Biasin, Kristoffer Haldrup, Darren J. Hsu, Matthew S. Kirschner, Dolev Rimmerman, Matthieu Chollet, J. Michael Glownia y Tim B. van Driel.

La nave espacial New Horizons de la NASA podrá seguir explorando sus exóticos alrededores durante al menos cinco años.

La agencia anunció el viernes (29 de septiembre) que mantendría encendidas las luces de New Horizons mientras volaba sobre el Cinturón de Kuiper, el vasto anillo de cuerpos helados más allá de la órbita de Neptuno.