ALMA ayuda a dilucidar misteriosa formación de estrellas masivas

27 marzo, 2014

Un equipo de investigación encabezado por Tomoya Hirota, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, en su sigla en inglés), descubrió un disco circumestelar caliente alrededor de una protoestrella masiva gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el VLBI Exploration of Radio Astrometry (VERA) [1]. Los procesos de formación de estrellas masivas han sido objeto de especulación durante mucho tiempo. Los resultados del estudio hacen hincapié en el papel que desempeñan los discos de acreción en la formación de estrellas masivas, en forma similar a lo que sucede con estrellas de baja y mediana masa como nuestro Sol.

El equipo observó una fuente de ondas de radio llamada Fuente I, en Orión KL, el lugar más cercano a la Tierra donde se forman estrellas masivas. ALMA permitió detectar señales de radio de vapor de agua caliente con una alta resolución angular, y se calculó que la temperatura del gas bordea los 3000 grados Celsius. Al combinar esta información con los datos recabados por VERA, el equipo confirmó que el gas caliente es en realidad un disco circumestelar que rodea la Fuente I. Gracias a un cálculo preciso de la distancia que nos separa de la Fuente I a partir de las observaciones hechas con VERA, se determinó que el diámetro del disco supera en cerca de 80 veces la distancia entre el Sol y la Tierra.

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Fig. 1 (caja): Ilustración de la Fuente I de Orión KL. Crédito: NAOJ; Fig 2 (Fondo): Imagen en infrarrojo cercano de la nebulosa Orión obtenida por el telescopio Subaru. Orión KL se encuentra dentro de la nube naranja en la esquina superior derecha. El campo observado por ALMA está indicado con un círculo rojo. Crédito: NAOJ; Fig 3: El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), R. Hills.

Gracias a los numerosos estudios realizados en los últimos años, los científicos ya pueden comprender a cabalidad el proceso de formación de estrellas de baja y mediana masa. En cambio, poco se sabe sobre cómo se forman las estrellas masivas. Mientras las estrellas masivas de baja y mediana masa se forman mediante acreción de masa de un disco circumestelar, no se sabe si lo mismo ocurre con las estrellas masivas. De hecho, hay otra teoría según la cual las estrellas masivas son el resultado de colisiones estelares. Es una interrogante sencilla para la cual todavía no tenemos respuesta.

Los radiotelescopios son fundamentales para estudiar los procesos de formación estelar por ser capaces de observar las nubes de gas y polvo donde se forman, y el uso de varias antenas de radio funcionando juntas supone una gran ventaja en términos de capacidad de resolución. Hasta hace poco, los instrumentos de observación no tenían la sensibilidad ni la capacidad de resolución suficientes para realizar estudios destallados de las nubes moleculares donde se forman las estrellas masivas. Además, la mayoría de estas nubes se encuentra muy lejos de nuestro Sistema Solar. Con ALMA, ahora se pueden estudiar los lugares donde se forman las estrellas masivas, y el equipo de investigación eligió la región más cercana para ello, Orión KL, donde nacen estrellas con masas hasta 8 veces superiores a la de nuestro Sol. Orión KL está a unos 1400 años-luz de distancia y, gracias a su cercanía, ha sido bastante estudiado desde su hallazgo en 1967.

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Fig. 4: Ubicaciones de las antenas del conjunto VERA. Crédito: NAOJ

Con VERA el equipo observó la Fuente I en Orión KL, donde estudió la base de un chorro bipolar y encontró un cúmulo de máseres de SiO en estado vibracional excitado que trazaba un chorro emanado de la superficie del disco. Observando los máseres de SiO, el equipo descubrió un chorro de alta velocidad alrededor de la Fuente I. El otro equipo de investigación encontró una fuente de radio continua y compacta vinculada con el centro de estos máseres de SiO en estado vibracional excitado, que parece ser un disco de perfil. Sin embargo, la composición de la Fuente I sigue siendo objeto de discusión. Es una zona de estructura compleja, donde se observan numerosos chorros de distintos tamaños en varias direcciones. De ahí que los datos recabados se hayan interpretado de diversas maneras y que algunos investigadores nieguen la existencia del disco y de los chorros.

Anteriormente, gracias a los datos de ALMA, el equipo de investigación había logrado detectar señales de radio emitidas por el vapor de agua a alta temperatura. En ese entonces, ALMA se encontraba en marcha blanca y todavía no había alcanzado su plena capacidad de resolución, por lo que no se podía estudiar a cabalidad las características del gas molecular asociado al vapor de agua. “Propusimos observaciones adicionales con ALMA para entender mejor la Fuente I, ¡y obtuvimos datos de muy buena calidad!” – señala Hirota, quien encabezó el estudio-. “La calidad de la resolución es tres veces superior a la de los datos anteriores”

El equipo usó las dos líneas de radio emitidas por las moléculas de agua en las frecuencias de 321 GHz y 336 GHz, que supuestamente corresponden a temperaturas respectivas de 1700 y 2700 grados Celsius y son, por lo tanto, adecuadas para estudiar el área más cercana de la Fuente I.

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Fig. 5: Distribución de la emisión de radio de las moléculas de agua observada por ALMA en 336 GHz. El color representa el comportamiento de las moléculas de agua: el azul corresponde al gas que se desplaza hacia nosotros y el naranja representa el gas que se aleja. Los puntos grises muestran la distribución de la emisión de máseres de SiO detecteda con VERA. Según los investigadores, los máseres de SiO indican dónde se encuentra la base del chorro.

El equipo detectó las dos líneas en las moléculas de agua caliente y reveló su distribución con claridad: las emisiones de las moléculas de agua a 1700 grados Celsius tenían una distribución similar a la del chorro observado a través del máser de SiO, lo que, para los científicos, significa que el máser es emitido por las moléculas de agua del chorro de la Fuente I.

Asimismo, se descubrió que la radiación de las moléculas de agua a 2700 grados Celsius tenía una estructura similar a la de la Fuente I en la base del chorro. Y lo más interesante es que este gas caliente parece tener una forma de disco y, de acuerdo con los detallados análisis hechos, presenta una velocidad de rotación de 10 km por segundo.

El equipo también descubrió:

  • Que la temperatura del disco en rotación es de al menos 3000 grados Celsius.
  • Que la estrella central debería tener una masa al menos 7 veces superior a la del Sol
  • Que el diámetro del disco debería ser unas 80 veces más grande que el del Sistema Solar
  • Que las emisiones de radio provienen de una estructura rotatoria en forma de anillo o de la extremidad del disco observado de perfil.

Uno de los miembros del equipo, Mareki Honma, sostiene: “Nuestras observaciones revelaron las características de la Fuente I y ahora podemos entender mejor los resultados de las observaciones anteriores. Todo esto, gracias a ALMA. Este telescopio con tecnología de punta nos permite observar un cuerpo a una frecuencia mayor y con mejor resolución. Por lo demás, gracias a VERA, logramos hacer un cálculo preciso de la distancia a la que se encuentra la Fuente I. Esto nos permitió obtener cálculos fidedignos del tamaño del disco, entre otras características físicas”.

Así, este estudio resuelve un programa de larga data: saber si la Fuente I era un chorro o un disco de gas. Estos resultados demuestran claramente que se trata de un disco de gas.

El equipo ahora aspira a estudiar la estructura y el comportamiento de la Fuente I más en detalle usando ALMA a una mayor resolución y sensibilidad en una frecuencia más alta. De esa forma, deberían poder dilucidar los misterios de la evolución de la Fuente I. Hirota señala:  “También es importante el hecho de que las condiciones físicas de un disco circumestelar dependan de la masa de la protoestrella central. El disco circumestelar de una estrella masiva alcanza los 3000 grados Celsius. El polvo a partir del cual se forman los planetas debería derretirse a esa temperatura. Me pregunto si es posible que se formen planetas en esas condiciones. Me interesa saber cómo los procesos de formación planetaria dependen de la masa y las características físicas de las estrellas”.

Los hallazgos de esta investigación se presentaron en el artículo de Hirota et al. «Un disco circumestelar molecular caliente alrededor de la protoestrella masiva Fuente I de Orión», publicado en febrero de 2014 en el Astrophysical Journal.

Notas

[1] Interferómetro de línea base muy larga operado por NAOJ.

Información adicional 

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una colaboración entre Europa, América del Norte y Asia Oriental  en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado en Europa por el Observatorio Europeo Austral (ESO), en América del Norte por la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos (NSF) en cooperación con Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencias (NSC) de Taiwán; y en Asia Oriental  por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán. La construcción y operaciones de ALMA en Europa están lideradas por ESO; en América del Norte por el National Radio Astronomy Observatory (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI); y en Asia Oriental por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Observatorio Conjunto ALMA (Joint ALMA Observatory, JAO) proporciona al proyecto la unificación tanto del liderazgo como de la gestión de la construcción, puesta a punto y operación de ALMA.

Contacto:

Tomoya Hirota 
Profesor Asistente
Mizusawa VLBI Observatory
National Astronomical Observatory of Japan
Phone: +81-422-34-3645
Email: tomoya.hirota@nao.ac.jp

Mareki Honma 
Profesor Asociado
Mizusawa VLBI Observatory
National Astronomical Observatory of Japan
Phone: +81-422-34-3640
Email: mareki.honma@nao.ac.jp

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Encargado de Prensa, ESO
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Masaaki Hiramatsu
Encargado de Educación y Extensión, NAOJ Chile
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Correo electrónico: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp